Generellt om sorptionsprocesser

Sorption och jonbyte är välkända processer som används i många industriapplikationer. Det finns dock ofta missuppfattningar om teoretiska grunder bakom sorption och jonbyte och det är därför värt att kort beskriva teorin bakom dessa i en förenklad form.

Sorption och jonbyte är i grunden väldigt liknande processer och båda processerna sker samtidigt både i klassiska sorbenter (exempelvis aktivt kol) och klassiska jonbytare (exempelvis polymera anjonbytare). Skillnaden mellan sorption och jonbyte är att vid sorption är det hela molekylen som fångas av en sorbent och i jonbyte byts endast en katjon/anjon mot en annan katjon/anjon som är bunden till jonbytaren. Jonbytaren delas därför på katjonbytare (de som byter katjoner) och anjonbytare (byter anjoner). Förenklat kan man skriva följande ekvationer som beskriver rening av vatten från en PFAS (i detta fall PFBS) med GAK och anjonbytare:

GAK+ C⁴F⁹SO⁴H ↔ GAK-C⁴F⁹SO⁴H R-Cl + C4F9SO4H ↔ R-C⁴F9SO4 + HCl

Naturligtvis är det främst sorptionsmekanismen som är huvudmekanismen i sorbenter och jonbytesmekanismen som är huvudmekansimen i jonbytare men båda mekanismerna sker i båda

typer av material. I denna rapport benämns GAK och jonbytare med samlingsnamnet filtermaterial.

Både sorption och jonbyte är en reversibla processer och själva sorptionskapaciteten (hur många g av ett ämne kan bindas till 1 kg av materialet) beror på en rad faktorer. De faktorer som har högst påverkan på sorptionskapaciteten är halt av det ämne som ska avskiljas och halter av alla andra ämnen som finns i vatten. Även temperaturen har påverkan på sorptionskapaciteten.

Sorptionskapaciteten beskrivs oftast i form av isotermer. En isoterm visar sorptionskapaciteten vid olika halter i vatten när temperaturen, och alla andra parametrar som påverkar sorption av det specifika ämnet, är samma. Isotermer visas vanligtvis som beroende av jämviktshalten i sorptionsmaterial (qe) av jämviktshalten i vatten (Ce). Det är viktigt att poängtera att det är just jämviktshalten och inte halten i inkommande vatten som visas på X-axeln. I Figur 3-1 visas några fiktiva isotermer som används för mer detaljerad beskrivning av sorptionsprocessen.

Figur 3-1. Fiktiva isotermer för tre sorbenter. Gul linje visar hur koncentrationerna ändras vid kontakt mellan förorenat vatten och färsk sorbent (enligt beskrivning nedan).

Det finns i princip bara två parametrar som beskriver formen på den typen av isoterm som är mest förekommande vid rening av vatten med sorbenter/jonbytare – (1) den maximala

sorptionskapaciteten som filtermaterialen har vid oändligt hög koncentration och (2) en parameter som beskriver hur snabbt den maximala sorptionskapaciteten nås.

Den maximala sorptionskapaciteten är beroende av hur många sorptionsplatser som finns i ett filtermaterial. Exempelvis för jonbytare är den beroende av hur många mobila joner det finns i en viss volym/mängd av jonbytare som kan bytas mot den jon man behöver avskilja. För GAK är intern yta av mikroporer den parameter som styr den maximala sorptionen.

Hur snabbt den maximala sorptionskapaciteten nås (lutningen på första delen av kurvan) är beroende av de drivande krafterna i sorption/jonbyteprocessen. Om ett jonbytesmaterial blir mycket stabil när den har Cl^- joner i sin matris men är för närvarande i OH-form (har OH^- joner i matrisen) kommer den ta upp i princip alla Cl^- joner som finns i vattnet och lutningen på första delen av isotermen blir väldigt brant. Jonbytare är då väldigt selektiv mot Cl. Om selektiviteten är lägre kommer då en del av jonerna vara sorberade på materialet och en del var i lösningen vid lägre halter.

Det är tydligt att filtermaterial 1 i Figur 3-1 har ”den bästa” isoterm av de tre eftersom den visar högsta sorptionskapaciteten oberoende av halter. Material 2 har samma maximala

sorptionskapaciteten men är inte lika selektiv som material 1 och den maximala kapaciteten kan nås endast med halter som är mycket högre än vad som visas i figuren. Vid höga inkommande halter i vatten kommer förbrukning av material 2 vara nästan samma som material 1 men vid låga halter kan det gå åt tre gånger mer material 2 än material 1 för att rena samma volym vatten.

Material 1 och 3 har samma selektivitet och kommer fungera lika bra vid låga halter men vid höga halter kan förbrukning av material 3 vara dubbelt så hög som för material 1. Kom ihåg att

isotermen beskriver sorptionskapaciteten bara för det specifika vattnet med den

sammansättningen av joner och lösta ämnen. Att applicera en isoterm som tagits fram med lösningar av rena PFAS i avjoniserat vatten för att förklara hur materialet kommer sorbera PFAS från lakvatten kommer endast ge missvisande resultat. Även jämförelsen mellan olika

filtermaterial måste göras endast från isotermer som är framtagna med det specifika vattnet.

Det finns två möjligheter av att använda sorbenter/jonbytare för vattenrening – antingen använda ett totalomblandat system (en viss mängd av sorbent blandas med vatten) eller att använda en kolonnprocess för att skapa gradient av koncentrationer. Ett totalomblandat system kan beskrivas av den gula linjen i Figur 3-1. Man startar med vatten som har en halt av förorening på 15 µg/l och färsk sorbent med sorberad mängd 0 µg/g. Efter att sorbenten och vattnet blandas kommer halten i vattnet minska och halten i sorbenten att öka tills att en jämvikt nås vid en av punkterna av

isotermen. För det specifika exemplet blev jämvikten att halten i vattnet minskades till ca 1,5 µg/l (90% reduktion) och halten i materialet blev ca 0,7 µg/g. Det kan då lätt räknas ut från

massbalansen att det var 19,3 g av sorbent som tillsatts per liter vatten. Det är värt att notera att sorptionen inte sker momentant utan det krävs viss tid för att nå jämvikten. Eftersom isotermen alltid visar jämviktshalter kan i praktiken sorptionskapaciteten vara lägre.

I en kolonnprocess varierar halten i vatten och i materialet längs kolonnen eftersom vattnet renas genom kolonnen (Figur 3-2). Vid inloppsidan där materialet helt har förbrukat sin kapacitet är halten i vatten samma som i inkommande vatten. Längre ner i kolonnen är både halten i vattnet och i materialet lägre. Vid utloppet är nästan inget sorberad på materialet och halten i vattnet är mycket låg.

Figur 3-2. Halter i vatten och material vid användning av kolonnprocess.