DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178076
تاريخ النشر: 2026-06-04
المؤلف: Marko Pranić وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث المواد الكيميائية من عائلة البيرفلوروالكيل
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير أجزاء المادة العضوية الطبيعية (NOM) على امتصاص المواد الكيميائية من عائلة البيروفلورو والكيميائيات متعددة الفلوروالكيل (PFAS) خلال معالجة الكربون المنشط الحبيبي (GAC)، مع التركيز على كل من PFAS قصيرة السلسلة وطويلة السلسلة. تحدد الأبحاث أن جزء NOM أقل من 3 كيلودالتون يمنع بشكل كبير امتصاص PFAS قصيرة السلسلة من خلال التنافس على مواقع الامتصاص، مما يؤدي إلى زيادة في سعة الامتصاص تتراوح بين 3 إلى 3.6 مرات عندما يتم إزالة هذا الجزء مسبقًا. يُوجد هذا الجزء ذو الوزن الجزيئي المنخفض عادةً في مصادر مياه الشرب بتركيزات قابلة للمقارنة مع تلك التي تم اختبارها، مما يبرز أهمية إزالته لتعزيز كفاءة معالجة PFAS.
على النقيض من ذلك، يتم تقليل امتصاص PFAS طويلة السلسلة بشكل ملحوظ في وجود الجزء المحايد الكاره للماء (HON)، الذي يحتوي على مركبات لها خصائص مشابهة لـ PFAS طويلة السلسلة. على الرغم من أن جزء HON يوجد عادةً بتركيزات أقل، إلا أن تأثيراته التنافسية على الامتصاص تساهم في تأخير اختراق PFAS طويلة السلسلة مقارنةً بالمتغيرات قصيرة السلسلة. تشير النتائج إلى أن المراقبة الروتينية لأجزاء NOM، وخاصة <3 كيلودالتون وHON، قد تكون مفيدة لتحسين استراتيجيات إزالة PFAS في مرافق معالجة مياه الشرب. بالإضافة إلى ذلك، تقترح الدراسة أن نمذجة سلوك اختراق PFAS باستخدام نموذج نقل كتلة ديناميكي متعدد المكونات يمكن أن توضح بشكل أكبر الآليات الكامنة وراء هذه التفاعلات التنافسية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث القضية المستمرة للمواد الكيميائية من عائلة البيروفلورو والكيميائيات متعددة الفلوروالكيل (PFAS) في مياه الشرب، مع تسليط الضوء على اللوائح الحالية في الاتحاد الأوروبي التي تحدد تركيزًا أقصى مسموحًا به قدره 100 نانوغرام/لتر، مع اقتراح مراجعة إلى 4.4 نانوغرام/لتر. تم تحديد ترشيح الكربون المنشط الحبيبي (GAC) كطريقة رئيسية لإزالة PFAS في معالجة المياه، على الرغم من أنها تواجه تحديات مثل الاختراق المبكر لـ PFAS، وخاصة المتغيرات قصيرة السلسلة، بسبب الامتصاص التنافسي مع المادة العضوية الطبيعية (NOM). اقترحت الدراسات السابقة آليات لهذه المنافسة، بما في ذلك انسداد المسام والنبذ الكهروستاتيكي، لكن الأدلة التجريبية لا تزال محدودة، خاصة بالنسبة لـ PFAS قصيرة السلسلة.
تؤكد الورقة على الحاجة إلى مزيد من الدراسات التجريبية لتوضيح التفاعلات بين PFAS وNOM، خاصة في ظل ظروف تركيز منخفضة واقعية (عادةً 1 ميكروغرام/لتر أو أقل). تشير إلى تعقيد NOM، الذي يختلف بشكل كبير في التركيب، وتقترح أن تقنيات الفصل يمكن أن تساعد في توضيح هذه التفاعلات. يقترح المؤلفون إجراء تجارب امتصاص في دفعات باستخدام أجزاء NOM متميزة تم الحصول عليها من خلال فصل الراتنج والغشاء لتحديد تأثيراتها المحددة على امتصاص كل من PFAS قصيرة وطويلة السلسلة. تهدف النتائج إلى تعزيز فهم التفاعلات التنافسية في معالجة مياه الشرب المعتمدة على GAC وآثارها على الامتثال التنظيمي.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” التقنيات التحليلية المستخدمة في البحث. توضح المواد المحددة المستخدمة في التجارب، بما في ذلك مصادرها وبروتوكولات التحضير. تم تصميم المنهجيات لضمان إمكانية إعادة الإنتاج والدقة في النتائج التي تم الحصول عليها.
يصف قسم الطرق التحليلية الأدوات الإحصائية والنماذج الرياضية المطبقة لتحليل البيانات. يتضمن ذلك أي معادلات أو خوارزميات ذات صلة تم استخدامها لتفسير النتائج. تعتبر دقة هذه الطرق حاسمة للتحقق من صحة النتائج ودعم الاستنتاجات المستخلصة في الدراسة.
نتائج
في هذه الدراسة، بحثنا في سلوك الامتصاص لثمانية مواد مختلفة من عائلة البيروفلورو والكيميائيات متعددة الفلوروالكيل (PFAS) باستخدام الكربون المنشط الحبيبي (GAC) تحت تجارب امتصاص في دفعات وعمود، مع التركيز بشكل خاص على تأثير أجزاء مختلفة من المادة العضوية الطبيعية (NOM). تشير نتائجنا إلى أن امتصاص PFAS طويلة السلسلة يتم تثبيطه بشكل كبير بواسطة الجزء المحايد الكاره للماء (HON) من NOM، بينما تتأثر PFAS قصيرة السلسلة بشكل رئيسي بأجزاء NOM التي تقل عن 3 كيلودالتون.
تُفصَّل النتائج بشكل أكبر في الأقسام التالية، التي تفسر نتائج امتصاص PFAS في سياق أجزاء NOM المختلفة. يتم تلخيص الخصائص الرئيسية لهذه الأجزاء في الجدول 1، ويتم تقديم وصف شامل لبروتوكولات الفصل، جنبًا إلى جنب مع تقييم الجودة لأجزاء NOM التي تم الحصول عليها، في الأقسام S1.1 – S1.4.
مناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في التفاعلات بين أجزاء المادة العضوية الطبيعية (NOM) ومواد البيروفلورو والكيميائيات متعددة الفلوروالكيل (PFAS) أثناء الامتصاص على الكربون المنشط الحبيبي (GAC)، مع آثار على معالجة مياه الشرب. تم فصل NOM إلى مكونات حمضية كارهة للماء (HOA)، وقاعدة كارهة للماء (HOB)، ومحايدة كارهة للماء (HON)، ومائية (HI)، مما يكشف أن جزء HON يمنع بشكل كبير امتصاص PFAS طويلة السلسلة، بينما تتأثر PFAS قصيرة السلسلة بشكل أقل بنوع NOM. على وجه التحديد، أدى وجود جزء HON إلى تقليل السعة القصوى للامتصاص ($q_{max}$) لـ PFAS طويلة السلسلة بمقدار يصل إلى 2.5 مرة مقارنةً بالجزء HI. على العكس، أظهرت PFAS قصيرة السلسلة انخفاضًا في الامتصاص في وجود مركبات ذات وزن جزيئي منخفض (LMW) من جزء NOM <3 كيلودالتون، والتي تكون أكثر مائية وتتنافس على مواقع الامتصاص. تؤكد النتائج على أهمية خصائص NOM في التأثير على كفاءة إزالة PFAS في عمليات معالجة مياه الشرب. تبرز الدراسة أن طرق المعالجة التقليدية قد لا تعالج بشكل كافٍ وجود أجزاء NOM ذات الوزن الجزيئي المنخفض، والتي تتواجد بكثرة في مصادر المياه. وبالتالي، يقترح المؤلفون أن تحسين استراتيجيات ترشيح GAC لتأخذ في الاعتبار هذه التفاعلات يمكن أن يعزز إزالة PFAS في محطات معالجة مياه الشرب، خاصة في السيناريوهات التي تتجاوز فيها تركيزات NOM المستويات النموذجية الموجودة في المياه الطبيعية. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لتوضيح آليات المنافسة وديناميات الامتصاص بين NOM وPFAS بشكل أكبر.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178076
Publication Date: 2026-06-04
Author(s): Marko Pranić et al.
Primary Topic: Per- and polyfluoroalkyl substances research
Overview
This study investigates the impact of natural organic matter (NOM) fractions on the adsorption of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) during granular activated carbon (GAC) treatment, focusing on both short-chain and long-chain PFAS. The research identifies that the <3 kDa NOM fraction significantly inhibits the adsorption of short-chain PFAS by competing for adsorption sites, leading to a 3-3.6 times increase in adsorption capacity when this fraction is pre-removed. This low molecular weight fraction is commonly found in drinking water sources at concentrations comparable to those tested, highlighting the importance of its removal to enhance PFAS treatment efficiency. In contrast, the adsorption of long-chain PFAS is notably reduced in the presence of the hydrophobic neutral (HON) fraction, which contains compounds with similar characteristics to long-chain PFAS. Although the HON fraction is typically present at lower concentrations, its competitive adsorption effects contribute to the delayed breakthrough of long-chain PFAS compared to short-chain variants. The findings suggest that routine monitoring of NOM fractions, particularly the <3 kDa and HON, could be beneficial for optimizing PFAS removal strategies in drinking water treatment facilities. Additionally, the study proposes that modeling PFAS breakthrough behavior with a dynamic multi-component mass transport model could further clarify the mechanisms underlying these competitive interactions.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the persistent issue of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in drinking water, highlighting current EU regulations that set a maximum allowable concentration of 100 ng/L, with a proposed revision to 4.4 ng/L. Granular activated carbon (GAC) filtration is identified as the predominant method for PFAS removal in water treatment, although it faces challenges such as early breakthrough of PFAS, particularly short-chain variants, due to competitive adsorption with natural organic matter (NOM). Previous studies have suggested mechanisms for this competition, including pore blockage and electrostatic repulsion, but empirical evidence remains limited, particularly for short-chain PFAS.
The paper emphasizes the need for further experimental studies to elucidate the interactions between PFAS and NOM, especially under realistic low concentration conditions (typically 1 μg/L or lower). It notes the complexity of NOM, which varies widely in composition, and suggests that fractionation techniques could help clarify these interactions. The authors propose to conduct batch isotherm and column adsorption experiments using distinct NOM fractions obtained through resin and membrane fractionation to determine their specific impacts on the adsorption of both short- and long-chain PFAS. The findings aim to enhance understanding of competitive interactions in GAC-based drinking water treatment and their implications for regulatory compliance.
Methods
The section on “Materials and Methods” outlines the analytical techniques employed in the research. It details the specific materials used in the experiments, including their sources and preparation protocols. The methodologies are designed to ensure reproducibility and accuracy in the results obtained.
The analytical methods section describes the statistical tools and mathematical models applied to analyze the data. This includes any relevant equations or algorithms that were utilized to interpret the findings. The rigor of these methods is crucial for validating the results and supporting the conclusions drawn in the study.
Results
In this study, we investigated the adsorption behavior of eight different per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) using granular activated carbon (GAC) under batch isotherm and column experiments, specifically examining the influence of various fractions of natural organic matter (NOM). Our findings indicate that the adsorption of long-chain PFAS is significantly inhibited by the hydrophobic neutral (HON) fraction of NOM, while short-chain PFAS are predominantly influenced by NOM fractions smaller than 3 kDa.
The results are further detailed in subsequent sections, which interpret the PFAS adsorption outcomes in the context of different NOM fractions. Key characteristics of these fractions are summarized in Table 1, and a comprehensive description of the fractionation protocols, along with the quality assessment of the obtained NOM fractions, is provided in Sections S1.1 – S1.4.
Discussion
In this study, the authors investigated the interactions between natural organic matter (NOM) fractions and per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) during adsorption onto granular activated carbon (GAC), with implications for drinking water treatment. The NOM was fractionated into hydrophobic acid (HOA), hydrophobic base (HOB), hydrophobic neutral (HON), and hydrophilic (HI) components, revealing that the HON fraction significantly inhibits the adsorption of long-chain PFAS, while short-chain PFAS are less affected by NOM type. Specifically, the presence of the HON fraction reduced the maximum adsorption capacity ($q_{max}$) for long-chain PFAS by up to 2.5 times compared to the HI fraction. Conversely, short-chain PFAS exhibited reduced adsorption in the presence of low molecular weight (LMW) compounds from the <3 kDa NOM fraction, which are more hydrophilic and compete for adsorption sites. The findings underscore the importance of NOM characteristics in influencing PFAS removal efficiency in drinking water treatment processes. The study highlights that conventional treatment methods may inadequately address the presence of LMW NOM fractions, which are prevalent in source waters. As such, the authors suggest that optimizing GAC filtration strategies to account for these interactions could enhance PFAS removal in drinking water treatment plants, particularly in scenarios where NOM concentrations exceed typical levels found in natural waters. Future research is recommended to further elucidate the mechanisms of competition and adsorption dynamics between NOM and PFAS.