Chemie und Prozesstechnik
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Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) sind eine Substanzklasse bestehend aus mehreren tausenden Einzelverbindungen. Unter PFAS zählen alle Verbindungen, die mindestens eine perfluorierte Methyl- (-CF3) oder Methylen-Gruppe (-CF2-) besitzen. Somit zählt auch ein großer Teil der fluorierten Medikamente, Pflanzenschutzmittel oder Biozide in die PFAS-Substanzklasse. Aufgrund der Persistenz, Bioakkumulation in Nahrungsketten, Toxizität und der ubiquitären Verbreitung von PFAS zählen sie zu den „emerging pollutants“. Die PFAS-Analytik ist wegen ihrer vielfältigen physikalisch-chemischen Eigenschaften und der sehr hohen Anzahl an PFAS eine große Herausforderung. Da es für viele Anwendungen noch ungewiss ist, welche PFAS verwendet werden, wie sie in die Umwelt gelangen und welche Transformations- bzw. Abbauprodukte entstehen, stoßen analytische Ansätze, die nur auf Einzelsubstanzen abzielen, hier an ihre Grenzen. PFAS-Summenparameter-Methoden, die darauf abzielen ein möglichst vollständiges Abbild der PFAS-Belastungssituation widerzuspiegeln, werden daher immer wichtiger.
Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) bilden eine sehr komplexe Schadstoffgruppe mit über 6300 Einzelsubstanzen, die in vielfältiger Form in die Umwelt eingetragen werden. Für ein effektives Monitoring dieser Schadstoffklasse benötigt es ein Zusammenspiel aus Summenparameter-Analytik zur hot-spot-Identifizierung und Klassifizierung von Belastungssituationen sowie einer nachgeschalteten target-Analytik zur Identifizierung von Eintragswegen, die zugleich ein tieferes Verständnis von Transformationsprozessen ermöglicht. In diesem Beitrag präsentieren wir eine optimierte Extraktions-Methode für die PFAS-Summenparameteranalytik. Mit Hilfe dieser können bisher verwendete zeit- und kostenintensive Festphasenextraktionen (SPE) umgangen und PFAS-Extraktionseffizienzen gesteigert werden. Die methodische Bestimmungsgrenze (LOQ) war mit 10,30 μg/kg (Fluor pro Bodenprobe) ausreichend für alle 9 untersuchten Realbodenproben.
The substance class of per- and polyfluorinated alkyl substances (PFAS) comprises more than 5300 organic compounds. PFAS are completely fluorinated on at least one carbon atom. They are associated with negative impacts on human and animal health, are extremely persistent in the environment, and bioaccumulate along food chains. Therefore, PFAS are classified as emerging pollutants. At the same time, their physicochemical properties make them attractive for use in diverse technical applications. They are both hydrophobic and lipophobic and show high thermal as well as chemical resistance due to the strong C-F bond.
First regulations of some PFAS in combination with the technically excellent properties generated an innovation pressure and led to an enormous increase in the number of fluorinated substitution compounds. Due to the increasing complexity of this substance class, target analysis is not able to cover such a variety and multitude of analytes.
Therefore, a suitable PFAS sum parameter method is necessary for an accurate detection of PFAS pollution in the environment, the identification of PFAS hotspots and an evaluation of appropriate remediation measures.
Here we provide insights into the current state of PFAS sum parameter development and present our latest results on method development for the quantitative analysis of PFAS as extractable organically bound fluorine (EOF) in environmental samples using high-resolution molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS). For this purpose, we optimized the extraction of PFAS from different solid matrices with simultaneous separation of inorganic fluoride. For quantification resulting extracts were measured using a fluorine specific HR-CS-GFMAS method. By adding gallium salt solutions as modifiers in HR-CS-GFMAS, fluorine can be indirectly quantified very selectively by the in situ formation of GaF with low limits of quantification (instrumental LOQ c(F) < 3 µg/L). Here we will show results from real soil samples from sites with and without known contamination.
In der Verbindungsklasse der per- und polyfluorierte alkylischen Substanzen (PFAS) werden über 5200 organische Verbindungen zusammengefasst. PFAS sind an mindestens einem Kohlenstoffatom vollständig fluoriert. Sie werden mit negativen Einflüssen auf die menschliche und tierische Gesundheit assoziiert, sind extrem persistent in der Umwelt und bioakkumulieren entlang von Nahrungsnetzen. Daher zählen PFAS zu den „emerging pollutants“. Gleichzeitig machen ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften sie für die Verwendung in diversen technischen Anwendungen attraktiv. Sie sind sowohl hydro- als auch lipophob und zeigen durch die starke C-F-Bindung hohe thermische wie chemische Beständigkeit.
Erste Regulierungen einiger PFAS in Kombination mit den technisch hervorragenden Eigenschaften erzeugt einen Innovationsdruck und führten zu einem enormen Anstieg in der Zahl der Substitutionsverbindungen. Auf Grund der steigenden Komplexität der Substanzklasse ist die Target-Analytik nicht in der Lage eine solche Vielfalt und Vielzahl an Analyten zu erfassen.
Für eine akkurate Erfassung der Belastungssituation durch PFAS, die Identifikation von PFAS-Hotspots und eine Bewertung von geeigneten Sanierungsmaßnahmen ist daher eine geeignete PFAS-Summenparameteranalytik notwendig.
Daher geben wir hier Einblicke in den aktuellen Stand der PFAS-Summenparameterentwicklung und präsentieren unsere neusten Ergebnisse zur Methodenentwicklung für die quantitative Analyse von PFAS als extrahierbares organisch gebundenes Fluor (EOF) in Umweltproben mittels hochauflösender Molekülabsorptionsspektrometrie (HR-CS-GFMAS). Hierfür optimierten wir die Extraktion von PFAS aus verschieden Feststoff-Matrizes bei zeitgleicher Abtrennung anorganischen Fluorids. Durch den Zusatz von Galliumsalz-Lösungen als modifier in der HR-CS-GFMAS kann Fluor indirekt sehr selektiv durch die in situ Bildung von GaF sehr nachweisstark (instrumentelle LOQ ~3 µg/L) quantifiziert werden.
Since it is unknown for many applications, which PFASs are used and how they enter the environment, target analysis-based methods reach their limits. The two most frequently used sum parameters are the adsorbable organically bound fluorine (AOF) and the extractable organically bound fluorine (EOF). Both can be quantified using either combustion ion chromatography (CIC) or high resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS). Here we provide an insight on the advantageous and disadvantageous of both sum parameters and both detection methods. Our study is based on the analysis of surface water samples. Next to total fluorine (TF) analysis, AOF and EOF were determined as well as CIC and HR-CS-GFMAS are compared and results are comparatively discussed. Fluorine mass balancing revealed that, the AOF/TF proportion was higher than the EOF/TF proportion. The AOF made up 0.14–0.81% of TF and the EOF 0.04–0.28% of TF. Although, organically bound fluorine represents only a small portion of TF, PFASs are of worldwide concern, because of their extreme persistence and their bioaccumulation potential. The EOF-HR-CS-GFMAS method turned out to be more precise and sensitive than the AOF-CIC method and is a promising tool for future monitoring studies/routine analysis of PFASs in the environment.
Abstract: Since it is unknown for many applications, which PFASs are used and how they enter the environment, target analysis-based methods reach their limits. The two most frequently used sum parameters are the adsorbable organically bound fluorine (AOF) and the extractable organically bound fluorine (EOF). Both can be quantified using either combustion ion chromatography (CIC) or high resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS). Here we provide an insight on the advantageous and disadvantageous of both sum parameters and both detection methods. Our study is based on the analysis of surface water samples. Next to total fluorine (TF) analysis, AOF and EOF were determined as well as CIC and HR-CS-GFMAS are compared and results are comparatively discussed. Fluorine mass balancing revealed that, the AOF/TF proportion was higher than the EOF/TF proportion. The AOF made up 0.14–0.81% of TF and the EOF 0.04–0.28% of TF. Although, organically bound fluorine represents only a small portion of TF, PFASs are of worldwide concern, because of their extreme persistence and their bioaccumulation potential. The EOF-HR-CS-GFMAS method turned out to be more precise and sensitive than the AOF-CIC method and is a promising tool for future monitoring studies/routine analysis of PFASs in the environment.
Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) sind sehr persistent und reichern sich in der Umwelt und im menschlichen Organismus in immer höheren Konzentrationen an. PFAS stellen deshalb eine große Gefährdung für Mensch und Umwelt dar. Eingesetzt werden sie u. a. als wasser- und fettabweisende Beschichtung in z. B. der Papier- und Textilindustrie und gelangen so während Produktion, Gebrauch und Entsorgung u. a. in den Wasserkreislauf. PFAS konnten sogar in der arktischen Umwelt in relevanten Konzentrationen detektiert werden und zählen somit zu den „emerging pollutants“. Ein prominenter Vertreter der PFAS stellt Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) dar - die jedoch bereits im Anhang des Stockholmer Abkommen gelistet wurde und deren Einsatz somit stark eingeschränkt bzw. verboten ist. Im Hinblick auf die Vielzahl von Verbindungen werden neue analytische Methoden benötigt, die eine PFAS-Belastungssituation möglichst umfassend und nachweisstark widerspiegeln, um zukünftig mögliche Grenzwerte ableiten zu können.