PFAS – właściwości, zagrożenia i znaczenie dla środowiska

W kontekście potencjalnych negatywnych skutków uwolnionych PFAS (patrz ramka informacyjna) w ostatnich latach wprowadzono liczne wartości graniczne, referencyjne i orientacyjne, na przykład dla wody pitnej. Wraz z poszerzaniem się bazy danych oraz lepszym zrozumieniem skutków zdrowotnych należy spodziewać się w przyszłości dalszego zaostrzenia wymogów regulacyjnych.

Naukowcy zidentyfikowali już różne zastosowania przemysłowe jako istotne źródła PFAS. Należą do nich m.in. niektóre zakłady produkcyjne przemysłu chemicznego, a także piany gaśnicze zawierające fluor, które były stosowane zwłaszcza na lotniskach. Podczas gdy w odniesieniu do tych źródeł przeprowadzono już badania i wprowadzono środki zaradcze, a także nadal są one opracowywane, jak dotąd dostępnych jest niewiele danych dotyczących potencjalnego uwalniania PFAS w zastosowaniach związanych z technologią wodorową. W związku z przewidywanym znacznym rozwojem elektrolizerów PEM i systemów ogniw paliwowych coraz częściej pojawia się pytanie, czy technologie te również powodują potencjalne emisje PFAS i w jakim stopniu konieczne mogą być środki techniczne lub regulacyjne.

Wstępne badania nad pojazdami napędzanymi ogniwami paliwowymi

W celu przeprowadzenia wstępnej oceny tej kwestii zespół z Centrum Technologii Ogniw Paliwowych (ZBT) oraz Instytutu Badań nad Wodą (IWW) zbadał w ramach badania emisję PFAS z różnych pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi (pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi, FCEV) [3]. W tym celu pobrano próbki z dwóch samochodów osobowych oraz jednego pojazdu użytkowego i poddano je analizie pod kątem wybranych związków z grupy PFAS, stosując chromatografię cieczową sprzężoną z tandemową spektrometrią masową (LC-MS/MS) zgodnie z normą DIN EN 17892:2024-08.

Analizy wykazały obecność tych substancji we wszystkich badanych pojazdach, przy czym łącznie zidentyfikowano pięć różnych PFAS. Szczególnie rzucała się w oczy różnica w stężeniach między samochodami osobowymi a pojazdami użytkowymi, co prawdopodobnie wynika z różnej wielkości i konstrukcji układu wydechowego. Wykryte związki, z jednym wyjątkiem, były perfluorowanymi kwasami karboksylowymi. Ich powstawanie wydaje się zasadniczo prawdopodobne w kontekście omawianych obecnie procesów rozkładu membran pod wpływem rodników.

Ogólnie rzecz biorąc, zmierzone stężenia utrzymywały się na niskim poziomie. Aby właściwie zinterpretować wyniki, warto zapoznać się z wytycznymi dotyczącymi oceny PFAS w oparciu o progi nieistotności (GFS) i orientacyjne wartości zdrowotne (GOW), udostępnionymi przez Federalne Ministerstwo Środowiska, Ochrony Klimatu, Ochrony Przyrody i Bezpieczeństwa Jądrowego (BMUKN). Zgodnie z tymi wytycznymi obecnie nie ma żadnych przesłanek wskazujących na niekorzystną zmianę jakości wody.Jednak obowiązujące przepisy nie obejmują wszystkich występujących PFAS. Wraz z wprowadzeniem nowych wartości granicznych i rozszerzeniem możliwości analitycznych przyszłe oceny mogą zatem ulec zmianie.

Wstępne badania wykazały, że wiele kwestii naukowych pozostaje jak dotąd niewyjaśnionych. Jaki wpływ na powstawanie PFAS mają różne warunki eksploatacyjne? Czy poza zakresem ustalonych standardowych analiz powstają inne PFAS? Czy PFAS mogą występować również w fazie gazowej i być uwalniane wraz ze strumieniami powietrza wywiewanego? Czy wykryte związki rzeczywiście pochodzą z membran, czy też z innych elementów zawierających fluor? W jakim stopniu wyniki uzyskane w ogniwach paliwowych można przenieść na elektrolizery PEM?

Projekt badawczy „Parzell”

Aby odpowiedzieć na te pytania, zainicjowano wspólny projekt „Jakościowa i ilościowa analiza PFAS w warunkach zbliżonych do rzeczywistych podczas elektrolizy PEM i pracy ogniw paliwowych: znaczenie dla środowiska i wytyczanie działań”, w skrócie Parzell. Projekt (01LF24640N) jest finansowany w ramach programu wsparcia wspólnych badań przemysłowych (IGF) przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii i łączy wiedzę specjalistyczną Centrum Technologii Ogniw Paliwowych (ZBT), Instytutu Środowiska i Energii, Techniki i Analityki (IUTA) oraz Instytutu Badań nad Wodą (IWW). Projektowi towarzyszy komitet złożony z 16 partnerów przemysłowych, m.in. z dziedzin techniki analityczno-pomiarowej, techniki środowiskowej oraz produkcji komponentów i filtrów. W ramach projektu badane są ogniwa paliwowe i elektrolityczne typu PEM w warunkach zbliżonych do rzeczywistych w skali laboratoryjnej. W tym celu naukowcy dostosowują odpowiednie stanowiska badawcze specjalnie do tych wymagających testów, aby wykrywać potencjalne emisje PFAS zarówno w fazie wodnej, jak i gazowej.

Szczególny nacisk kładzie się na jak najpełniejsząidentyfikację i kwantyfikację PFAS. W tym celu rozszerza się istniejące metody analityczne i opracowuje nowe procedury. Oprócz klasycznych substancji docelowych planuje się przede wszystkim identyfikację PFAS na podstawie potencjalnych mechanizmów rozkładu.

W celu przygotowania i wzbogacania próbek stosuje się i optymalizuje nowe metody w fazie wodnej i gazowej. Celem jest wykrywanie nawet niewielkich stężeń. Równolegle bada się ewentualne straty wynikające z adsorpcji w elementach peryferyjnych, aby zapewnić jak najwyższą jakość danych. W analizie chemicznej wykorzystuje się szereg najnowocześniejszych technik (GC-MS/MS, LC-HRMS, LC-MS/MS, AOF). Metody te umożliwiają zarówno precyzyjną kwantyfikację znanych związków, jak i identyfikację dotychczas nieznanych struktur PFAS. Dodatkowo różne materiały membranowe poddawane są ukierunkowanym eksperymentom rozkładu.

Na zakończenie uczestnicy projektu zamierzają opracować, w oparciu o dane eksperymentalne, model matematyczny, który umożliwi wstępną prognozę potencjalnych emisji w różnych warunkach eksploatacyjnych oraz pozwoli zidentyfikować stany pracy charakteryzujące się minimalnymi emisjami. Wyniki badań mają zostać wykorzystane do oceny potencjalnych środków technicznych służących redukcji emisji(np. adsorpcja, rozkład elektrochemiczny, dostosowane strategie eksploatacyjne lub optymalizacja MEA).