RESEARCH
Aquarama 99 – maart 2023
PFAS -afbrekende micro-organismen in de maak
Het oppervlak van de katalysator gemaakt met een elektronenmicroscoop
Professor Raf Dewil
MBBR biofilm reactor voor de biologische zuivering van water en afvalwater. Dit zijn testopstellingen van ongeveer 30 liter die in het labo aanwezig zijn.
De katalysator als poeder
Op de KU Leuven (Campus De Nayer) in Sint-Katelijne-Waver worden momenteel nieuwe technieken ontwikkeld om PFAS in waterstromen af te breken. Daardoor kunnen waterzuiveringsinstallaties makkelijker hun werk doen. Naast (elektro-)chemische technieken, wordt er samengewerkt met de Universiteit van Oxford voor de ontwikkeling van PFAS-afbrekende micro-organismen door de introductie van specifieke genen. We praten met professor Raf Dewil, verbonden aan het Departement Chemische Ingenieurstechnieken van de KU Leuven.
PFAS is de verzamelnaam voor meer dan 6000 chemische stoffen waarin onder andere een combinatie van fluorverbindingen en alkylgroepen voorkomt. Ze komen niet van nature voor in het milieu. PFAS zijn bestand tegen hoge temperaturen en zijn water-, vuil-, en vetafstotend. PFAS worden gebruikt om materialen vet- en waterafstotend te maken. Daarom worden ze veel gebruikt in industriële toepassingen en consumentenproducten, zoals antiaanbaklaag in pannen, cosmetica, textiel, brandblusschuim, schoonmaakmiddelen of smeermiddelen. PFAS zijn heel stabiel en moeilijk afbreekbaar. “Voor de toepassingen waarvoor men ze gebruikt moet dat ook zo zijn”, zegt Raf Dewil. “In het polymeer zitten moleculen die heel stabiel zijn. Er zitten immers fluoratomen in om de chemische stabiliteit te verzekeren. De huidige waterzuiveringen slagen er niet in om die PFAS af te breken. Het probleem is dat als die PFAS in het leefmilieu terecht komen, ze niet meer afbreken. De PFAS accumuleren en zo ontstaan er problemen.” Het gebruik van enkele van deze stoffen is sinds 2006 aan banden gelegd door de Europese Unie.
Verspreiding
De verspreiding van PFAS naar het milieu verloopt vooral door industriële productie. Galvaniseerbedrijven, papierverwerking en textielveredeling zijn de sectoren met het grootste risico op verspreiding van PFAS. PFOS en PFOA werden tot 2010 gebruikt in blusschuim voor het blussen van vooral chemische en oliebranden. Op oefenterreinen van de brandweer (in gemeenten, industrie, vliegvelden, ...) en sites waar een grote brand werd geblust met fluorhoudend blusschuim is er een groot risico op verontreiniging van bodem en grondwater. Ook in de afvalverwerking kan je PFAS vinden. Stortplaatsen, waterzuiverings- en afvalverbrandingsinstallaties verwerken PFAS-houdende materialen.
Nieuwe technieken
Concreet worden op de campus De Nayer in Sint-Katelijne-Waver nieuwe materialen ontwikkeld om PFAS te kunnen afbreken in de voorbehandeling van industriële waterstromen en extractiewater uit bodemsanering, bijvoorbeeld voordat ze naar een bestaande waterzuivering worden gestuurd. De techniek is volgens Dewil erg vernieuwend. “We brengen de PFAS in contact met een reducerende katalysator, waardoor fluoratomen van de moleculen worden gehaald en je ze biologisch meer afbreekbaar maakt”, zegt Dewil. “Het proces zorgt ervoor dat de PFAS moleculen effectief kunnen worden afgebroken, wat zeker een toegevoegde waarde is ten opzichte van ze enkel uit de waterstroom halen door ze te transfereren naar een ander medium zoals bij klassieke adsorptieprocessen gebeurt. Na het verwijderen van de fluor blijven de resterende moleculen wel nog in het water aanwezig, maar kunnen ze in het ideale geval verder eenvoudig afgebroken worden in een bestaand biologisch systeem.”
Katalytische materialen
In het labo van Raf Dewil zijn er nieuwe materialen ontwikkeld om PFAS te capteren en af te breken. Concreet wordt er gebruik gemaakt van vaste, katalytisch actieve en op koolstof gebaseerde materialen. “De materialen zorgen voor de chemische reductie wanneer ze in contact komen met het met PFAS vervuilde water”, zegt Dewil. “Je kan het er als het ware laten overheen stromen. Het zijn nieuwe materialen, waarvan we het oppervlak op een bepaalde manier behandelen, bijvoorbeeld door specifieke metaalverbindingen erop vast te zetten. Daardoor krijgt het een reductieve werking. We zijn nog druk bezig om die oppervlakken verder te optimaliseren en chemisch zo actief mogelijk te krijgen, zodat de PFAS eenvoudig en efficiënt afgebroken worden. Daarnaast zijn we aan het bekijken hoe we dit kunnen opschalen naar industriële schaal. Naast de katalysator wordt ook gebruik gemaakt van UV-licht en/of elektrische stroom. Het voordeel om te werken met een vaste katalysator is dat deze aanwezig blijft in je zuiveringssysteem en niet zorgt voor secundaire vervuiling door mee te stromen met het effluent. De technieken die we aan het ontwikkelen zijn, kunnen ook toegepast worden in combinatie met adsorptieprocessen.”
PFAS in de bodem
De nieuwe reductietechniek kan ook toegepast worden voor PFAS die in de bodem zit. “Om bodemverontreiniging aan te pakken zou je de bodem kunnen laten doorstromen met water, om de PFAS uit de bodem te krijgen,”, zegt Dewil. “Om vervolgens de PFAS uit het water te verwijderen.” De nieuwe technieken die Raf Dewil ontwikkelde, zijn alvast veel beter dan de bestaande. De dag van vandaag wordt er voornamelijk gebruik gemaakt van absorptiemiddelen om PFAS te capteren. Daarna worden ze voornamelijk vernietigd door het adsorptiemateriaal samen met de PFAS te verbranden bij hoge temperatuur. “Dit is een minder duurzame oplossing”, zegt Dewil. “Hierdoor moet je immers telkens nieuw adsorptiemateriaal toevoegen aan je zuiveringsproces.”
Micro-organismen
Achter de nieuwe PFAS-zuiveringstechniek kan je gewoon een klassieke nazuivering plaatsen, zoals een biologische waterzuivering, zodat je de afvalwaterstroom verder kan behandelen. Dewil gelooft nogal sterk in biologische zuivering, gebaseerd op micro-organismen. Micro-organismen kunnen volgens Dewil wel degelijk helpen om PFAS af te breken. Zijn collega, professor Lise Appels, heeft op dat vlak al heel wat projecten gerealiseerd. “Zij kijkt meer naar de biologische aspecten”, zegt Dewil. “Ik kijk meer naar de chemische.” Dewil gelooft dat de biologische zuivering in de toekomst ook een rol kan spelen in de zuivering van PFAS. “In sommige omgevingen zijn veel PFAS aanwezig”, zegt Dewil. “Daar bevinden zich micro-organismen die zich in de loop van de tijd hebben aangepast. Als je lang genoeg wacht – dat kan tientallen jaren zijn – vind je er bacteriën die de polluenten kunnen afbreken. We proberen het genetisch materiaal van die micro-organismen te gebruiken. Via een speciale techniek halen we delen van het genetisch materiaal uit deze organismen en introduceren het vervolgens in de microbiële gemeenschap van een waterzuivering. Op deze manier ben je capaciteit aan het introduceren in de biologische zuivering om ook PFAS af te breken. Aangezien biologische zuivering meestal goedkoper is, zou je op deze manier de chemische voorbehandeling kunnen verminderen.”
Micro-organismen
Raf Dewil werkt voor het hele project ook samen met de Universiteit van Oxford. In Oxford werd namelijk een techniek ontwikkeld waarmee je specifiek genen kan introduceren in een community. “Momenteel wordt volop onderzoek gedaan hoe micro-organismen beter kunnen gemaakt worden”, zegt Dewil. “Er wordt onderzoek gedaan hoe de community aan micro-organismen kan getraind worden zodat ze PFAS wél kunnen verwijderen. We zijn bezig om PFAS afbreekbare genen te introduceren”, zegt Dewil. “We trainen die micro-organismen zodat die PFAS zien als voedingsbron en daaruit hun energie halen.”
Ultrasone geluiden
Er wordt onder meer gebruik gemaakt van ultrasone golven. zegt Dewil. “Met ultrasone signalen kunnen we het celmembraan van de micro-organismen openen”, zegt Dewil. “Op deze manier kan je genetisch materiaal (DNA) in de micro-organismen inbrengen. Dan krijgen de bacteriën de capaciteit om iets te doen wat ze normaal niet doen. De techniek van de afbreekbare genen is niet nieuw. De techniek werd al eerder succesvol toegepast in andere domeinen zoals voor de productie van organische basischemicaliën en medicijnen zoals antibiotica.”
Medicijnresten
De afgelopen jaren is de KU Leuven bezig geweest met medicijnafbraak. Het labo van Raf Dewil en Lise Appels aan de KU Leuven ontwikkelde in het verleden al veel technieken om medicijnresten te verwijderen uit afvalwater. “Die opgedane kennis wordt nu opnieuw ingezet om nieuwe technieken te ontwikkelen om PFAS uit afvalwaterstromen te verwijderen”, zegt Dewil. “Medicijnen komen in het leefmilieu terecht op verschillende manieren. De vraag is hoe je die uit het water krijgt. Hoe moet je bestaande installaties aanpassen zodat die medicijnresten beter kunnen verwijderd worden? Momenteel zijn waterzuiveringen er niet op gedimensioneerd om dergelijke stoffen te zuiveren.”
Micropolluenten
Het onderzoek gebeurt op Campus De Nayer in Sint-Katelijne-Waver. Daar werken de studenten, doctoraatsstudenten en professoren al een 10 à 15 jaar rond waterzuivering. “Een van onze belangrijkste onderzoekslijnen is het verwijderen van micropolluenten”, zegt Dewil. “Het gaat om polluenten die in lage concentratie aanwezig zijn. Hoewel ze toch in lage concentratie aanwezig zijn, hebben ze schadelijke effecten.” Raf Dewil is verbonden aan het Departement Chemische ingenieurstechnieken van de KU Leuven. Hij wil in de toekomst voor zijn onderzoek en projecten meer dan ooit samenwerken met bedrijven uit de waterwereld. “We willen samen met bedrijven onze nieuwe technieken valoriseren en samen toepassingen ontwikkelen”, zegt Dewil. “We hebben al een hele track record van samenwerking met industriële spelers, zowel zuiveringsbedrijven als eindgebruikers. In die zin staat onze groep zeer dicht bij de bedrijfswereld. Het is ons doel om onderzoek te doen dat valoriseerbaar is en relevant is voor de maatschappij. Naast het samen ontwikkelen van nieuwe technologieën, voeren we daarom ook vaak consultancy uit voor bedrijven.”
Over de campus
Campus De Nayer is een van de hoogtechnologische campussen waarop KU Leuven (sinds 2013) actief is. Op deze campus verzorgt KU Leuven opleidingen tot Industrieel Ingenieur in verschillende domeinen, waaronder Chemische Ingenieurstechnieken. De campus heeft een rijke geschiedenis: de eerste technologisch georiënteerde opleiding startte in het toenmalige De Nayer Instituut in september 1922 (net meer dan 100 jaar geleden) op initiatief van kardinaal Mercier en professor De Fays. Jan-Pieter De Nayer werd aangesteld als eerste directeur van deze eerste Vlaamse Hogere Technische School, waaraan de campus zijn naam dankt.
“Momenteel wordt volop onderzoek gedaan hoe micro-organismen beter kunnen gemaakt worden”, zegt Dewil.
“Met ultrasone signalen kunnen we het celmembraan van de micro-organismen openen”, zegt Dewil.
“We trainen die micro-organismen zodat die PFAS zien als voedingsbron en daaruit hun energie halen”, zegt Dewil.
