全氟化合物(或稱為全氟/多氟烷基化合物,Per- and Polyfluoroalkyl Substances, PFAS)係指化學結構中具強碳氟鍵(C-F)之化合物,具防水、防油與化學及熱穩定等特性,常應用於半導體業、硬鉻電鍍、印染紡織、皮革、紙製品及等產業,其中全氟辛烷磺酸a(Perfluorooctanesulfonic Acid, PFOS)、全氟辛酸(Perfluorooctanoic Acid, PFOA)和全氟己烷磺酸(Perfluorohexane Sulfonic Acid, PFHxS)因具生物毒性及生物累積性,斯德哥爾摩公約(Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants,簡稱 POPs 公約)已列管為持久性有機污染物。環境部化學物質管理署亦已公告列管為毒性化學物質。
產業製程若使用含PFAS化學品,其製程作業廢水可能含有PFAS,因PFAS碳-氟鍵具強鍵結力,較難進行生物分解、水解、氧化與光分解,傳統沉砂池、生物處理或消毒等程序對PFAS去除效率有限,目前常用之廢(污)水PFAS去除技術包含活性碳吸附、離子交換樹脂、薄膜分離、泡沫分離(Foam Fractionation),茲分述如下:
一、活性碳吸附
活性碳吸附係藉顆粒活性碳(Granular Activated Carbons, GAC)或粉狀活性碳(Powdered Activated Carbon, PAC)與目標污染物產生物理或化學吸附,達成與溶劑分離之目的,一般而言,活性碳對PFOA和PFOS等C8以上之長鏈PFAS具良好吸附效果,PFBS等短鏈PFAS吸附效果則較不理想,整體吸附效率可達80%~90%。活性碳有吸附容量限制,需定期更換,且吸附飽和之活性碳需進一步處理。目前國際已有以GAC處理廢(污)水之PFAS實際案例,如美國密西根州如Lapeer污水處理廠要求納管廠商增設廢水活性碳處理程序,改善前放流水PFOS濃度介於710~2,000 ng/L,增設活性碳後放流水PFOS濃度降至57~770 ng/L,經調整最適化操作後,放流水PFOS濃度介於17~54 ng/L(變化如圖13所示)。
圖13、美國密西根州Lapeer污水處理廠放流水PFOS濃度變化
資料來源:The Michigan Department of Environment, Great Lakes, and Energy, Michigan’s IPP PFAS Initiative, 2019.
二、離子交換樹脂
陰離子交換樹脂(Anionic Exchange Resins, AER)表面帶正電官能基,可吸附溶液中PFAS等帶負電分子,對PFAS具高度選擇性,可將多數PFAS濃度處理到偵測極限以下。PFAS中全氟烷基磺酸鹽(Perfluoroalkyl Sulfonates, PFASs)對離子交換樹脂的親和力優於全氟烷基羧酸鹽(Perfluoroalkyl Carboxylates, PFACs),另隨碳鏈增加親和力隨之增強。吸附飽和之樹脂需進一步廢棄處理或再生,再生後樹脂可重複利用(但樹脂重複利用次數有所限制,因其吸附容量會逐漸下降),濃縮之PAFS需進一步處理。常見應用於處理水中PFAS離子交換樹脂包含AMBERLITE™ PSR2 Plus、Purofine® PFA694E、CalRes 2301、Sorbix PURE LC、ResinTech SIR-110-HP等。美國東南部某紡織業因製程使用含PAFS撥水劑,其含PFAS廢水排放至鄰近潟湖造成污染,藉由導入離子交換樹脂系統,將廢水PFOS和PFOA濃度降低至70 ng/L以下。
圖14、美國某紡織業設置之離子交換樹脂系統
資料來源:ect2網站,https://www.ect2.com,2024.
三、薄膜分離(Membrane Fractionation)
薄膜分離法係利用薄膜構造與分子粒徑、電位分布等差異,使溶質及溶液分離,其中逆滲透膜係利用壓力為驅動力進行分離,研究顯示奈濾(Nanofiltration, NF)和逆滲透(Reverse osmosis, RO)對PFAS具良好之分離效果,惟薄膜須經適當前處理,以避免膜件受到污堵,另高濃度濃縮液仍需進一步處理。
四、泡沫分離(Foam Fractionation)
泡沫分離屬濃縮技術,係於水中加入界面活性劑,藉由曝氣將水中具有表面活性(Surface-active)的PFAS分子分離,並富集形成泡沫。此技術適用於分子鏈較長、氣液相吸附比率(Gas-water Adsorption Ratio)較高的PFAS;然PFHxA、PFBS及PFPeS等化合物去除率變化較大。相較於GAC或薄膜分離等技術,泡沫分離具有消耗品用量少、適用水質變化範圍較大等優勢。國際已有泡沫分離現地模場應用案例,如澳洲奧克雷陸軍航空中心(Army Aviation Centre Oakey)因使用含PFAS之水成膜泡沫(Aqueous Film Forming Foam, AFFF)導致污染地下水,爰設置250 m3/day現地試驗場進行為期1年試驗,其地下水PFOS、PFHxS及PFOA去除率達99.5%以上。
此外,AFFF、高濃度PAFS廢液或飽和活性碳或離子交換樹脂等固體廢棄物可經焚化或熱處理予以分解,其溫度一般介於200~1,400°C(與化合物種類有關),採行前述技術時,需須留意PFAS分解不完全可能會形成小分子PFAS或混合鹵化物有機副產品等不完成燃燒產物(Products of incomplete combustion, PICs)。另亦可藉由添加氧化劑或還原劑,經一系列氧化還原反應破壞PFAS化學結構,包含脫氟、減少碳鏈長度等,直到完全降解為CO2、F-和H2O,惟若反應不完全時,可能增加PFAAs和前驅物濃度。
美國環保署考量特定產業廢(污)水含較高濃度PFAS,刻正進行其放流水標準檢討,環境部目前亦持續針對國內產業進行水質調查分析,並持續配合國際管制趨勢,以及廠商自主管理成效,評估訂定廢(污)水管理管制規定之必要性。事業廢(污)水全氟化合物濃度如有偏高之風險時,建議優先評估源頭化學品替代及減量,必要時再增設活性碳或離子交換樹脂等單元,以降低廢(污)水全氟化合物。