Onder de vlag van STOWA is onderzoek gedaan naar mechanochemische afbraak van PFAS met een ball mill of kogelmolen. In dit proof-of-principle-onderzoek zijn hoge afbraakrendementen bereikt, met substantiële mineralisatie van PFAS tot fluoride.
Download hier de pdf van dit artikel.
Geschreven door Jaïr Dan, Jordi Wevers (Witteveen+Bos), Johanna Weststrate (Waterschap Hollandse Delta), David de Ridder (Evides), Henny Bron (Waterschap Brabantse Delta)
PFAS zijn een groep persistente stoffen die gemakkelijk in het milieu accumuleren omdat ze niet of nauwelijks afbreken. De aandacht is de afgelopen jaren vooral uitgegaan naar het verwijderen van PFAS uit water, bijvoorbeeld door adsorptie aan actiefkool of innovatieve adsorbenten. Ook is gebleken dat rioolonderzoek kan helpen om de bronnen van PFAS in een rwzi op te sporen [2]. Daarmee verdwijnen PFAS echter niet uit de waterketen: ze worden geconcentreerd in een reststroom.
Om PFAS te vernietigen wordt tegenwoordig thermische verwerking (verbranding) ingezet, maar deze route kent beperkingen. De verbrandingscapaciteit is beperkt en er zijn zorgen over onvolledige destructie en emissies van (ultra)korteketen-PFAS via rookgassen.
Bedrijven die PFAS produceren of toepassen zijn verplicht emissies te beperken en PFAS waar mogelijk uit te faseren, maar PFAS zijn op dit moment nog niet volledig verboden. Via uiteenlopende routes vinden ze hun weg naar het milieu, onder andere via industriële emissies, afvalstromen, directe en indirecte lozingen, gewasbeschermingsmiddelen en historische verontreinigingen. Inmiddels worden PFAS bijna overal aangetroffen in bodem, oppervlaktewater, grondwater, bronnen voor drinkwaterproductie en het influent van rwzi’s. Ook via de voedselketen worden mensen eraan blootgesteld. Zelfs wanneer de komende regeringsperiode restricties worden geïntroduceerd, zullen PFAS door hun persistentie nog lang aanwezig blijven in water en bodem. De behoefte aan technieken die PFAS niet alleen verwijderen, maar daadwerkelijk vernietigen, neemt daardoor toe.
Tegen deze achtergrond is onder de vlag van STOWA een proof-of-principle -onderzoek uitgevoerd naar mechanochemische PFAS-afbraak met een zogenoemde ball mill (kogelmolen in het Nederlands). Eerdere studies richtten zich vooral op individuele stoffen, zoals PFOA en PFOS, in synthetische mengsels onder laboratoriumcondities (technology readyness level – TRL - 3). In dit onderzoek is de technologie toegepast op een praktijkmatrix, afkomstig uit een adsorptie- en regeneratiestap (TRL 4). Daarmee is een eerste stap gezet van laboratoriumonderzoek met modelstoffen naar toepassing op een praktijkrelevante PFAS-matrix.
Integrale route van adsorptie naar destructie
De onderzochte verwerkingsroute van PFAS bestaat uit vijf opeenvolgende stappen: verwijdering van PFAS uit een vervuilde watermatrix via adsorptie, regeneratie van het adsorbens met ethanol, concentratie van het regeneraat via membraanfiltratie, indamping tot een droge stof en uiteindelijk mechanochemische destructie in een zogeheten ball mill, een kogelmolen (afbeelding 1). In dit onderzoek ligt de nadruk op de laatste drie stappen: concentreren, drogen en destructie.
De sleuteltechnologie is mechanochemische afbraak in de ball mill, de laatste stap. Hiervoor wordt het geregenereerde adsorbens eerst geconcentreerd en gedroogd, zodat een vaste stof ontstaat die geschikt is voor behandeling. Deze ketenbenadering is belangrijk: waar veel studies zich richten op afzonderlijke technologieën, laat dit onderzoek zien dat de effectiviteit van PFAS-verwerking juist wordt bepaald door de samenhang tussen processtappen. Vooral de overgang van een verdunde waterfase naar een geconcentreerde vaste fase is bepalend voor zowel het rendement als de praktische toepasbaarheid van de ball mill.
In de ball mill (afbeelding 2) wordt het gedroogde PFAS-concentraat intensief vermalen met RVS-kogels en kaliumhydroxide (KOH). Door mechanische impact, wrijving en de aanwezigheid van KOH worden de sterke koolstof-fluorbindingen in PFAS verbroken. De PFAS worden daarbij stap voor stap afgebroken en uiteindelijk gemineraliseerd tot onder andere fluoride. In tegenstelling tot thermische technieken vindt deze afbraak plaats bij relatief lage temperaturen en in een gesloten systeem, wat voordelen biedt voor emissiebeheersing en procesveiligheid.
Hoge afbraak en fluoridemineralisatie
De laboratoriumexperimenten laten zien dat vergaande afbraak van PFAS uit een met PFAS verontreinigd grondwatermonster mogelijk is in een ball mill (afbeelding 3). Bij een molverhouding F:KOH van 1:15 en een vermalingstijd van 48 uur werd een PFAS-reductie van circa 98% bereikt. Daarbij werd ongeveer 94% van het organisch gebonden fluor omgezet naar anorganisch fluor (fluoride). Deze mineralisatie naar fluoride is een belangrijk onderscheidend aspect. Veel behandelingsmethoden leiden tot gedeeltelijke afbraak of vorming van kortere PFAS-ketens, maar doorbreken niet structureel alle sterke C–F-bindingen. In dit onderzoek is expliciet gekeken naar de vorming van fluoride-ionen als maat voor daadwerkelijke destructie.
Een belangrijk inzicht uit het onderzoek is dat de dosering van KOH beter kan worden gebaseerd op de molverhouding tussen organisch adsorbeerbare fluor (AOF) en KOH (F:KOH), in plaats van op de verhouding tussen AOF en de standaard gemeten PFAS, zoals vaak in de literatuur wordt gedaan. Dit komt doordat het standaard PFAS-analysepakket slechts een deel van de aanwezige fluorverbindingen in een praktijkmonster omvat. Met AOF-metingen kan de totale fluorbelasting beter worden bepaald. Dat onderbouwt de dosering van KOH beter en draagt bij aan hogere afbraakrendementen.
Daarnaast is met behulp van een TOP-assay een afname van PFAS-precursoren waargenomen na behandeling. Dit wijst erop dat de ball mill-behandeling niet alleen effect heeft op bekende PFAS-verbindingen, maar ook op stoffen die onder oxiderende omstandigheden - zoals in waterzuiveringsprocessen - kunnen worden omgezet naar meetbare PFAS.
Tegelijkertijd werden er tijdens het afbraakproces (ultra)kortketen-PFAS gevormd, zoals PFBA, PFPeA en TFA (afbeelding 3 & 4A). Dit past bij het in de literatuur beschreven ‘flake-off’-mechanisme in de ball mill, waarbij PFAS stapsgewijs per koolstofatoom worden afgebroken (afbeelding 4B) [3], [4]. Lange ketens worden hierbij eerst omgezet naar kortere ketens, voordat de kortere ketens verder worden gemineraliseerd.
Sulfonzuren bleken moeilijker afbreekbaar dan carbonzuren. Dit is consistent met de lagere sterische toegankelijkheid van het sulfonzuur en de hogere stabiliteit van de geconjugeerde base (sulfonaat). Een sulfonzuur heeft drie zuurstofatomen om de negatieve lading over te verdelen, tegenover de twee zuurstofatomen van het carbonzuur. De resultaten laten zien dat procescondities, zoals KOH-dosering en vermalingstijd, een duidelijke invloed hebben op het afbraakrendement. Een hogere KOH-dosering en langere behandeltijd leiden tot betere afbraak, met name voor deze stabielere verbindingen. Dat is een belangrijk aanknopingspunt voor verdere optimalisatie.
Concentreren en drogen bepalend voor succes
De resultaten laten zien dat de mechanochemische destructiestap zelf goed functioneert. In dit onderzoek is uitgegaan van een droge stof als uitgangspunt voor behandeling in de ball mill. Binnen deze procesroute blijken met name het concentreren van het regeneraat en het verkrijgen van een geschikte vaste stof technisch uitdagend.
Het concentreren met een NF-membraan liet aanvankelijk goede scheidingsrendementen zien, maar ging ook gepaard met adsorptie van PFAS aan membranen en installatiemateriaal. Hierdoor kon de massabalans tijdens de experimenten niet volledig worden gesloten. Waarschijnlijk gaat het hierbij om een tijdelijk effect, waarbij PFAS in de opstartfase aan oppervlakken adsorberen totdat een evenwichtssituatie ontstaat. Tijdens indamping met een rotatieverdamper trad schuimvorming op, waardoor droging werd bemoeilijkt. Het destillaat is geanalyseerd op PFAS40 om mogelijke overdracht naar de dampfase te onderzoeken. Hierbij zijn geen PFAS aangetroffen.
Voor praktische toepassing ligt de grootste ontwikkelopgave daarom in een robuuste en gesloten voorbehandeling. Pas wanneer concentratie en droging voldoende beheerst worden, is toepassing van mechanochemische destructie als eindstap in de keten realistisch.
PFAS-restricties en bronmaatregelen blijven noodzakelijk
De ontwikkeling van vernietigingstechnieken verandert niets aan de noodzaak van PFAS-restricties. PFAS zijn inmiddels diffuus verspreid in water, bodem en lucht. Zuivering en destructie alleen zijn hierdoor onvoldoende om het probleem op te lossen. Uitfasering van PFAS-houdende toepassingen blijven daarom noodzakelijk.
Voor destructietechnieken ligt toepassing dicht bij de bron het meest voor de hand. PFAS komen daar vaak in hogere concentraties voor, waardoor behandeling effectiever en doelmatiger kan zijn dan verderop in de waterketen, waar stoffen al sterk verdund en verspreid zijn geraakt. Voor de watersector onderstreept dit het belang van samenwerking met industriële partijen, zowel voor bronaanpak als voor het ontwikkelen en opschalen van nieuwe destructieroutes.
Conclusie
De proef met een ball mill laat zien dat daadwerkelijke mechanochemische afbraak van PFAS mogelijk is. In dit proof-of-principle-onderzoek zijn hoge afbraakrendementen bereikt, met substantiële mineralisatie tot fluoride. Daarmee biedt destructie een fundamenteel andere benadering dan bestaande verwerkingsroutes, waarbij PFAS veelal worden geconcentreerd in reststromen en niet direct uit de keten worden verwijderd.
De grootste uitdaging zit niet in de destructiestap zelf, maar in de voorbehandeling en opschaling. Het vervolgonderzoek richt zich daarom op het optimaliseren van concentratie, droging en procescondities. Het vervolgonderzoek moet uitwijzen in hoeverre mechanochemische destructie kan doorgroeien tot een praktische route voor PFAS-houdende reststromen.
Samenwerking in dit onderzoek
Dit onderzoek is uitgevoerd onder de vlag van STOWA. Witteveen+Bos voerde het onderzoek uit, de waterschappen Brabantse Delta en Hollandse Delta waren de initiatiefnemers. Daarnaast waren drinkwaterbedrijven, kennisinstellingen en een industriële afvalverwerker betrokken voor inhoudelijke reflectie en praktijkkennis. De samenwerking maakte het mogelijk om de technologie niet alleen afzonderlijk te testen, maar ook als onderdeel van een bredere verwerkingsketen.
Samenvatting
Onder de vlag van STOWA is onderzoek gedaan naar mechanochemische afbraak van PFAS met een ball mill of kogelmolen. In dit proof-of-principle-onderzoek zijn hoge afbraakrendementen bereikt, met substantiële mineralisatie van PFAS tot fluoride. De grootste uitdaging zit niet in de destructiestap zelf, maar in de voorbehandeling en opschaling.
REFERENTIES
1. Hofman-Caris, R., Wols, B., Cornelissen, E., Van Veggel, M., De Waal, L. (2024). ‘Ontwikkelingen rond verwijdering van PFAS uit de waterketen’. H2O-Online, 20 december 2024.
2. Derksen, A. et al. (2026). ‘Bronnen van PFAS opsporen via metingen in de riolering: methodiek en toepassing in Lelystad’. H2O-Online, 4 maart 2026.
3. Zhang, K. et al. (2013). ‘Destruction of Perfluorooctane Sulfonate (PFOS) and Perfluorooctanoic Acid (PFOA) by Ball Milling’. Environmental Science and technology, 47(12). http://pubs.acs.org/doi/10.1021/es400346n, geraadpleegd op 19 juni 2026.
4. Lu, M., Cagnetta, G., Zhang, K., Huang, J. & Yu, G. (2017). ‘Mechanochemical mineralization of “very persistent” fluorocarbon surfactants ‒ 6:2 fluorotelomer sulfonate (6:2FTS) as an example’. Nature Scientific Reports 7, 17180 (2017). https://www.nature.com/articles/s41598-017-17515-7, geraadpleegd op 19 juni 2026.
