Waste-based sorbents for reducing the mobility and leaching of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in contaminated soil

Abstract

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a diverse group of anthropogenic, organic chemicals whose widespread use have caused contamination issues worldwide. Former use of PFAS-containing firefighting foams have generated many pollution hotspots, and a major concern is that the contaminants can spread from such contaminated sites and deteriorate drinking water. A number of waste-based products have great potential as binding materials (sorbents) for PFASs in contaminated soil, and these sorbents may prevent the substances from leaching out of such soils and reaching living organisms in the surrounding environment. In this study, the suitability of seven different waste-based materials as PFAS sorbents was investigated for a contaminated soil sampled at a former firefighting training site. These potential sorbents were activated biochar, ash, bonemeal, chitosan, filter dust, LECA and slag. The materials’ ability to sorb PFASs was explored by performing batch leaching tests on soil samples that contained different concentrations of the sorbents in question. In addition to determining the leached PFAS concentrations, the batch leachates were also analysed for additional geochemical parameters that the sorbents might influence—including pH, dissolved organic carbon (DOC), electrical conductivity, anions and various trace elements. The soil, which was characterized as silty sand with a low total organic carbon content, had a large overweight of perfluorooctanesulfonic acid (PFOS) among the Σ20 quantified PFASs. Of the seven sorbents tested, the activated biochar was most efficient and sorbed > 99 % of the measured PFASs in the samples added 0.1 % (soil dry weight) biochar. While activated biochar sharply reduced the concentrations of PFASs of different perfluorocarbon chain lengths and functional groups alike, the other sorbents mainly caused a reduction in long-chain PFASs. Bonemeal, which was the second most efficient sorbent, reduced the leached PFOS concentration by 87 % in the samples added 5 % (soil dw) bonemeal. However, bonemeal was not efficient for short-chain PFASs. The ability of the remaining sorbents was much lower (< 50 % reduction in leached PFOS concentration at the highest sorbent doses), and they were thus not considered good sorbents in this study. In conclusion, though not great sorption abilities were observed for all the materials investigated, waste-based materials still have great potential as economical and sustainable alternatives to commercial sorbents.

Per- og polyfluorerte alkylstoffer (PFAS) er en stor gruppe menneskeskapte, organiske forbindelser som grunnet sin utbredte bruk kan knyttes til forurensningsproblemer over hele verden. Tidligere bruk av PFAS-holdig brannskum har resultert i at mange «hotspots» for PFAS-forurensning har oppstått, og det fryktes at stoffene kan spre seg fra slike områder og forgifte drikkevann. En rekke avfallsbaserte produkter har et stort potensial som bindingsmaterialer (sorbenter) for PFAS i forurenset jord, og disse materialene kan dermed hindre stoffene i å lekke ut av jorden og komme i kontakt med levende organismer. I denne studien ble syv avfallsbaserte materialer testet som PFAS-sorbenter for en forurenset jord prøvetatt ved et tidligere brannøvingsfelt. Disse potensielle sorbentene var aktivert biokull, aske, benmel, kitosan, filterstøv, LECA og slagg. Materialenes evne til å binde PFAS ble undersøkt ved å utføre ristetester av jordprøver tilsatt ulike konsentrasjoner av sorbentene. Eluatene ble både analysert for PFAS og ytterligere geokjemiske parametere som sorbentene kunne påvirke—inkludert pH, løst organisk karbon (DOC), elektrisk ledningsevne, anioner og ulike grunnstoffer. Jordprøven ble karakterisert som siltig sand med et lavt totalt organisk karboninnhold, og den inneholdt en stor overvekt av perfluoroktansulfonsyre (PFOS) blant de Σ20 kvantifiserte PFAS-ene. Den mest effektive sorbenten av de syv testede materialene var det aktiverte biokullet som sorberte > 99 % av de målte PFAS-ene i prøvene tilsatt 0,1 % (tørrvekt jord) biokull. Mens biokullet ga kraftige konsentrasjonsnedganger hos PFAS-er med både forskjellige perfluorkarbonkjedelengder og funksjonelle grupper, reduserte de andre sorbentene hovedsakelig langkjedede PFAS-er. Benmel, som var den nest mest effektive sorbenten, reduserte eluatkonsentrasjonen av PFOS med omtrent 87 % i prøvene tilsatt 5 % (tørrvekt jord) benmel. Dette organiske, avfallsbaserte materialet var imidlertid ikke effektivt for kortkjedede PFAS-er. Sorpsjonsevnen til de gjenværende sorbentene var mye lavere (< 50 % reduksjon i PFOS-konsentrasjon ved de høyeste sorbentdosene), og de ble derfor ikke ansett som gode sorbenter i denne studien. Selv om sorpsjonsevnene var små for de fleste av de undersøkte materialene, ble det konkludert med at avfallsbaserte materialer fortsatt har et stort potensial som økonomiske og bærekraftige alternativer til kommersielle sorbenter.