JP2022535730A - 分離および電気化学的排除を使用したpfas処理スキーム - Google Patents
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本出願は、2019年6月7日に出願された“PFAS Treatment Scheme Using Ion Exchange and Electrochemical Advanced Oxidation”と題する米国仮特許出願第62/858,401号に基づく優先権を、米国特許法第119条(e)の下で主張し、その開示全体は、全ての目的のためにその全体が参照によって本明細書に援用される。
(技術分野)
化合物のクラスとしてのPFASは、炭素-フッ素結合を含む非常に安定した化合物であるため、処理が非常に困難である。炭素-フッ素結合は、自然界で最も強力な既知の単結合であり、破壊に対して非常に耐性がある。PFASは、さまざまな成功の度合いで、いくつかの既知のメカニズムによって汚染水の供給源から除去され得る。水からPFASを除去するための従来の活性炭吸着システムおよび方法は、より長いアルキル鎖PFASに効果的であることが示されているが、より短いアルキル鎖化合物を処理するとき、より短い床寿命を有する。いくつかの従来の陰イオン交換樹脂は、より長いアルキル鎖PFASに効果的であることが示されているが、より短いアルキル鎖化合物を処理するとき、より短い床寿命を有する。
いくつかの実施形態において、汚染水の供給源からのPFASの分離は、陽イオン交換または陰イオン交換などのイオン交換プロセスを使用して達成され得る。従来の陰イオン交換処理システムおよび方法は、通常、正に帯電した陰イオン交換樹脂ビーズがPFASなどの陰イオン汚染物質で汚染された水の流れを受けるリード容器内に配置される、陰イオン交換樹脂を利用する。負に帯電した汚染物質は、正に帯電した樹脂ビーズによってトラップされ、清浄な水は、リード陰イオン交換容器から同じく陰イオン交換樹脂ビーズを含有するラグ容器に流れ込む。サンプルタップは、リード交換容器内の陰イオン交換ビーズの大部分が汚染物質で飽和した時期を判断するためにしばしば使用される。樹脂陰イオン交換ビーズの飽和が近づくと、流出水タップにおいて汚染物質のレベルが検出される。これが発生すると、その時点でリード容器はオフラインになり、汚染水は、その時点でリード容器となるラグ容器に流れ続ける。リードラグ容器構成により、常に高レベルの処理が維持される。
いくつかの実施形態において、汚染水の供給源からのPFASの分離は、膜での濾過などの物理的分離プロセスを使用して達成され得る。このような場合、膜は、水を通過させることを可能にするのに十分であるが、PFASを保持および収集する直径の細孔を備える。1つ以上の実施形態によれば、PFAS分離ステージは、1つ以上の耐溶剤性ナノ濾過ステージを含む。本発明のPFAS分離ステージで利用されるナノ濾過ステージの数およびナノ濾過膜のタイプは、汚染水の供給源のマトリックスに依存するであろう。一例として、ナノ濾過膜は、溶液中の高濃度の全懸濁固体量(TSS)、遊離塩素および特定の重金属(Al、Mn、Fe、Znなど)に損傷を受けやすい。したがって、PFASで汚染された水の供給源が高いTSS、遊離塩素および/または重金属を有する場合、PFAS分離の前に、1つ以上の前処理を使用して過剰なTSS、塩素および/または重金属を除去するべきである。
いくつかの実施形態において、汚染水の供給源からのPFASの分離は、吸着プロセスを使用して達成され得、ここで、PFASは、多孔質材料の細孔内に物理的に捕捉される(すなわち、物理吸着)または濾過媒体上の機能との好ましい化学的相互作用を有する(すなわち、化学吸着)。1つ以上の実施形態によれば、PFAS分離ステージは、電気化学的に活性な基板への吸着を含み得る。PFASを吸着するために使用され得る電気化学的に活性な基板の例は、粒状活性炭(GAC)である。GACへの吸着は、他のPFAS分離方法と比較して、水からPFASを除去するための低コストのソリューションであり、これにより、イオン交換容器の有害な再生溶液の大量生成ならびにナノ濾過および逆浸透(RO)などの膜ベースの分離方法の低い回収率および高いエネルギー消費量など、他の除去方法に関する既知の問題を潜在的に回避し得る。イオン交換と同様に、GACは吸着によって汚染水の供給源からPFASを除去する。しかしながら、PFAS排除ステージにGACを採用することは、600°Cを超える温度で焼却することによって達成され得、これは、エネルギーとコストが非常に高くなる。
いくつかの実施形態では、汚染水の供給源からのPFASの分離は、泡分画を使用して達成され得、汚染水の供給源で生成された泡が上昇し、水から疎水性分子を除去する。泡分画は、通常、水槽などの水生環境で、溶解したタンパク質を水から除去するために利用されてきた。泡分画中に、気泡は汚染された水の容器を通って上昇し、高い電荷を伴う大きな表面積の空気-水界面を有する泡を形成する。PFAS分子の荷電基は泡の気泡に吸着し、後で除去され得るPFAS富化表面層を形成する。気泡は、圧縮空気または窒素などの任意の適切なガスを使用して形成され得る。いくつかの実施形態では、泡を形成するための気泡は、オゾンなどの酸化性ガスから形成される。本発明に有用な泡分画システムは当技術分野で既知である。
濃縮流を処理してPFAS変換または分解をもたらすための様々な技術を実施し得る。本明細書に記載のPFAS排除方法を使用する濃縮流からのPFASの排除は、溶液中にH+およびF-イオンを生成する。
1つ以上の実施形態によれば、PFAS排除ステージは、電気的促進酸化システムを備える電気化学的PFAS排除ステージを含み得る。電気的促進酸化システムは、水中でPFASを分解するために使用される電気化学セルを備え得る。電気化学セルは、一般に、2つの電極、すなわち、カソードおよびアノードを含み得る。参照電極はまた、例えば、アノードの近くで使用され得る。
1つ以上の実施形態によれば、PFAS排除ステージは、PFASの光化学的処理を含み得る。例えば、紫外線(UV)処理は、PFASの分解に効果的であることが示されている。UV処理は一般に、さまざまな有機種を排除するために酸化塩のUV活性化を利用する。任意の強力な酸化剤を使用し得る。いくつかの非限定的な実施形態では、過硫酸化合物を使用し得る。少なくともいくつかの実施形態では、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウムおよび/または過硫酸カリウムを使用し得る。他の強力な酸化剤、例えば、オゾンまたは過酸化水素をも使用し得る。汚染水の供給源には、酸化剤を投与し得る。
1つ以上の実施形態によれば、PFAS排除ステージは、プラズマ処理を含み得る。プラズマは通常、ガスまたはガスの混合物の存在下で低圧または大気圧の高電圧放電を使用して生成され、自由電子、部分的にイオン化されたガスイオンおよび完全にイオン化されたガスイオンを生成する。水生環境における自由電子およびイオン種は、汚染された水のサンプル中のPFASおよびその他の有機物の分解を引き起こし得る。プラズマによるPFASの分解は、文献で実証および証明されている。報告によると、プラズマによって生成された電子は、主にPFASの分解に関与し得るが、ヒドロキシルラジカルなどのプラズマによって生成された二次酸化種は、反応の開始に重要な役割を果たさない。
Claims (57)
- パーフルオロアルキル物質(PFAS)で汚染された水の供給源を処理するためのオンサイトシステムであって、
PFASで汚染された水の前記供給源に流体接続可能な入口、希釈液出口および濃縮液出口を有するPFAS分離ステージと、
前記PFAS分離ステージの下流に位置し、かつ、前記PFAS分離ステージの出口に流体接続された入口を有する、PFAS排除ステージと、
を備え、
PFASで汚染された水の前記供給源に関するPFASの排除は、オンサイトで行われ、前記システムは、約99%を超えるPFASの全体的な排除率を維持するように構成される、パーフルオロアルキル物質(PFAS)で汚染された水の供給源を処理するためのオンサイトシステム。 - 前記システムは、前記PFAS分離ステージの前記希釈液中のPFASの濃度を所定の閾値未満に維持する、請求項1に記載のシステム。
- 前記所定の閾値は、一兆分の70(70ppt)未満である、請求項2に記載のシステム。
- 前記所定の閾値は、12ppt未満である、請求項3に記載のシステム。
- 硬度除去ステージをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記PFAS分離ステージと前記PFAS排除ステージとの間に向けられた供給を調節するように構成された制御システムをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記PFAS分離ステージの前記希釈液出口の下流に位置するPFASセンサーをさらに備える、請求項6に記載のシステム。
- 前記PFAS分離ステージは、1つ以上のイオン交換モジュールを備える、請求項1に記載のシステム。
- 結合PFASを除去してPFAS濃縮液を生成するための前記イオン交換モジュールの再生をさらに含む、請求項8に記載のシステム。
- 前記再生は、前記イオン交換モジュールをメタノール、水およびNaOHを含む再生溶液と接触させることを含む、請求項9に記載のシステム。
- 前記PFAS分離ステージは、1つ以上のナノ濾過モジュールを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記1つ以上のナノ濾過モジュールからのPFASを含む濃縮液は、前記1つ以上のナノ濾過モジュールの下流の1つ以上のナノ濾過ダイアフィルトレーションモジュールを通過することによってそのPFAS濃度を増加させる、請求項11に記載のシステム。
- 前記1つ以上のナノ濾過ダイアフィルトレーションモジュールは、NaClおよび/またはKClの除去を目標とする、請求項12に記載のシステム。
- 前記PFAS分離ステージは、電気化学的に活性な基板への吸着を伴う、請求項1に記載のシステム。
- 前記電気化学的に活性な基板は、粒状活性炭(GAC)を備える、請求項14に記載のシステム。
- 前記GACは、電気化学セル内の電極を構成する、請求項15に記載のシステム。
- 前記電気化学セル内の電極は、白金、混合金属酸化物(MMO)でコーティングされた寸法安定性アノード(DSA)材料、グラファイトまたは鉛/鉛酸化物を含む、請求項16に記載のシステム。
- 前記電気化学セルは、硫酸塩電解質をさらに含む、請求項16に記載のシステム。
- イオン交換膜セパレーターをさらに備える、請求項16に記載のシステム。
- 前記吸着されたPFASは、前記電気化学セルの電気的活性化によって前記電気化学的に活性な基板から脱着される、請求項16に記載のシステム。
- 前記PFAS分離ステージは、泡分画を伴う、請求項1に記載のシステム。
- 前記PFAS排除ステージは、電気化学的PFAS排除ステージを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記電気化学的PFAS排除ステージは、電気的促進酸化システムを備える、請求項22に記載のシステム。
- 前記電気的促進酸化システムは、電気化学セルを備える、請求項23に記載のシステム。
- 前記電気化学セルは、ホウ素ドープダイヤモンド(BDD)電極を伴う、請求項24に記載のシステム。
- 前記電気化学セルは、マグネリ相酸化チタン電極を伴う、請求項24に記載のシステム。
- 前記マグネリ相酸化チタン電極は、n=4~10のTinO2n-1を含む、請求項26に記載のシステム。
- 前記電気化学セルの電極が、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタンまたはDSA材料でできている、請求項24に記載のシステム。
- 前記電気化学セルは、水酸化物、硫酸塩、硝酸塩および過塩素酸塩の少なくとも1つを含む電解質を含む、請求項24に記載のシステム。
- 前記PFAS排除ステージは、促進酸化プロセス(AOP)反応器を備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記AOPは、UV過硫酸塩処理を伴う、請求項30に記載のシステム。
- 前記AOPは、プラズマ処理を伴う、請求項30に記載のシステム。
- PFASで汚染された水を処理する方法であって、
PFASの第1の濃度で汚染された水の供給源からの汚染水をPFAS分離ステージの入口に導入するステップと、
前記汚染水を前記PFAS分離ステージで処理して、PFASを実質的に含まない生成水と前記第1のPFAS濃度よりも高い第2のPFAS濃度を有するPFAS濃縮液とを生成するステップと、
前記PFAS濃縮液をPFAS排除ステージの入口に導入するステップと、
前記PFAS排除ステージを活性化して、前記PFAS濃縮液中の前記PFASを排除し、PFASの排除率が、約99%を超えるステップと、を含む、PFASで汚染された水を処理する方法。 - PFASの前記排除は、汚染水の前記供給源に関してオンサイトで行われる、請求項33に記載の方法。
- 前記PFAS分離ステージからの前記PFAS濃縮液を処理して、PFASの第3の濃度を有する濃縮液を生成することをさらに含み、前記第3のPFAS濃度は、前記第2のPFAS濃度よりも高い、請求項33に記載の方法。
- PFASの前記第3の濃度を有する前記濃縮液を前記PFAS排除ステージの前記入口に導入することを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記供給源水および/または生成水中の圧力、温度、pH、濃度、流量または全有機炭素(TOC)レベルを監視することをさらに含む、請求項33に記載の方法。
- 前記PFAS分離ステージは、1つ以上のイオン交換モジュールを備える、請求項33に記載の方法。
- 前記PFAS分離ステージは、1つ以上のナノ濾過モジュールを備える、請求項33に記載の方法。
- 前記PFAS分離ステージは、電気化学的に活性な基板への吸着を伴う、請求項33に記載の方法。
- 前記PFAS分離ステージ泡分画、請求項33に記載の方法。
- 前記PFAS排除ステージは、電気的促進酸化法を備える、請求項34に記載の方法。
- 前記電気的促進酸化法は、電気化学セルを備える、請求項42に記載の方法。
- 前記電気化学セルは、BDD電極を伴う、請求項43に記載の方法。
- 前記電気化学セルは、マグネリ相酸化チタン電極を伴う、請求項43に記載の方法。
- 前記電気化学セルは、水酸化物、硫酸塩、硝酸塩および過塩素酸塩のうちの少なくとも1つを含む電解質を含む、請求項43に記載の方法。
- 前記PFAS排除ステージは、AOP反応器を備える、請求項33に記載の方法。
- 前記AOPは、UV過硫酸塩処理を伴う、請求項47に記載の方法。
- 前記AOPは、プラズマ処理を伴う、請求項47に記載の方法。
- 水処理システムを改装する方法であって、
PFAS排除ステージを準備することと、
PFAS分離ステージの下流で前記PFAS排除ステージを流体接続することと、を含む、水処理システムを改装する方法。 - 前記PFAS排除ステージは、電気的促進酸化法を備える、請求項50に記載の方法。
- 前記電気的促進酸化法は、電気化学セルを備える、請求項51に記載の方法。
- 前記電気化学セルは、BDD電極を伴う、請求項52に記載の方法。
- 前記電気化学セルは、マグネリ相酸化チタン電極を伴う、請求項52に記載の方法。
- 前記PFAS排除ステージは、AOP反応器を備える、請求項50に記載の方法。
- 前記AOPは、UV過硫酸塩処理を伴う、請求項55に記載の方法。
- 前記AOPは、プラズマ処理を伴う、請求項55に記載の方法。
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