Investigating the Leaching and Transformation of PFAS in AFFF Encapsulated Concrete

Význam tématu

Studium chování PFAS v betonu po použití AFFF (aqueous film‑forming foams) je klíčové z hlediska environmentálních rizik i návrhu sanačních opatření. Betonové konstrukce na letištích, vojenských areálech a v průmyslu mohou být exponovány AFFF a sloužit jako dlouhodobé rezervoáry PFAS. Vyhodnocení uvolňování, transformací a stabilizace PFAS v alkalickém cementovém prostředí poskytuje nezbytné informace pro posouzení rizik, návrh záchytných opatření a volbu vhodných technologií úpravy nebo izolace kontaminantů.

Cíle a přehled studie / článku

Hlavním cílem studie bylo aplikovat nelokální (untargeted) vysokorozlišovací QTOF LC‑MS analýzu pro charakterizaci PFAS a jejich transformačních produktů v betonu zalitém druhou generací AFFF. Studie porovnává AFFF enkapsulované v betonových vzorcích s kontrolními a cíleně dospíchanými vzorky, identifikuje rozdíly v profilu signálů vzniklé po 28denním procesu vytvrzování a demonstruje analytický workflow kombinující LabSolutions, FluoroMatch a vizualizaci v PowerBI.

Použitá metodika

Postup zahrnoval následující kroky:

• Příprava směsi: AFFF byla připravena jako 0,3 % (v/v) vodný roztok a použita k odlití betonových válečků podle ASTM C31.
• Příprava vzorků: Vzorky byly po vytvrzení vyjmuty, nařezány diamantovou pilou a mechanicky rozemlety do frakcí 38–600 µm pomocí diamantového brusného adaptéru.
• Extrahování: Prášek byl extrahován 50:50 metanol:voda extrakčním protokolem.
• Analýza LC‑MS: Data byla získána metodou DDA na QTOF a exportována jako .mzML pro následné zpracování ve FluoroMatch. Pro zlepšení kvality dat byly využity exclusion listy sestavené z předběžných běhů a prior ion list s 56 známými PFAS.
• Datové zpracování: Použity byly LabSolutions Insight Explore a Insight Profiler pro zarovnání a multivariační analýzu, FluoroMatch pro anotaci PFAS a vlastní PowerBI vizualizéry pro přehled feature‑level výsledků.

Použitá instrumentace

Klíčová instrumentace a důležitá nastavení použitá ve studii:

• LC: Shimadzu Nexera s PFAS delay kolonkou (delay column) pro omezení pozadí PFAS; analytický sloupec Shim‑pack Scepter C18 (2.1 × 100 mm, 3 µm).
• Mobilní fáze: A = 2 mmol/L acetát amonný ve vodě/acetonitrilu (95/5), B = acetonitril; gradient z ~10 % B do 95 % B v průběhu metody.
• Pracovní parametry LC: 45 °C, průtok 0,45 mL/min, injekční objem 40 µL při ko‑injekčním režimu s 0,1 % octovou kyselinou pro zlepšení opakovanosti.
• MS: Shimadzu LCMS‑9030 (QTOF) v režimech ESI(−) a ESI(+), DDA (MS 110–1300 m/z; MS/MS 40–1300 m/z) s více dependent events, nastaveným rozsahem kolizní energie a použitím exclusion/prior ion listů.
• Software: LabSolutions LCMS, LabSolutions Insight Explore/Profiler, FluoroMatch Flow (verze 5.72), MZmine pro peak‑picking a custom PowerBI vizualizéry.

Hlavní výsledky a diskuse

Hlavní zjištění studie lze shrnout takto:

• Komplexní nelokální analýza odhalila tisíce detekovaných features v AFFF‑enkapsulovaném betonu; při filtrování podle kvality anotace (skóre A–C+) zůstaly významné soubory kandidátů.
• Kendrickovy grafy a rozložení retenčního času versus m/z ukázaly opakující se homologické série, odpovídající fluorotelomerovým řadám a jejich odvozeným produktům.
• Významný nárůst signálu u 6:2 FTSAm a 10:2 FTSAm v enkapsulovaných vzorcích ve srovnání se spiknutými kontrolami naznačuje, že alkalické prostředí betonu a proces vytvrzování podporují transformační/oxidační procesy z prekurzorů typu FTAB na sulfonamidy (FTSAm).
• Dominantními nalezenými složkami byly fluorotelomery 6:2, 8:2 a 10:2 FTS, přičemž další nízkoabundantní features poskytovaly náhled na možné degradační cesty a méně běžné transformační produkty.
• Multivariační analýzy (PCA) jasně oddělily skupiny vzorků a podtrhly odlišnost chemického podpisu po interakci s cementitou.

Diskuse zdůrazňuje, že beton jako alkalické, minerální prostředí může katalyzovat transformace PFAS prekurzorů a měnit jejich relativní zastoupení, což má přímý dopad na posouzení dlouhodobého rizika a volbu sanačních technik.

Přínosy a praktické využití metody

Metodika představuje operativní přínosy pro laboratoře i projektanty sanací:

• Integrovaný workflow QTOF + FluoroMatch + LabSolutions umožňuje identifikovat jak hlavní PFAS složky, tak méně časté transformační produkty bez předchozího cílení.
• Analýza betonových vzorků po standardizovaném zpracování a extrakci nabízí reálný pohled na chování PFAS v konstrukčních materiálech použitých v kritických lokalitách.
• Výsledky podporují rozhodování o strategiích enkapsulace, stabilizace nebo odstranění kontaminovaného betonu, protože ukazují jaké látky mohou vznikat během vytvrzování a jak se mohou akumulovat.

Budoucí trendy a možnosti využití

Několik směrů, které vyplývají ze studie a představují logická pokračování výzkumu:

• Longitudinální studie uvolňování PFAS: sledování leachátu z betonu v reálných klimatických podmínkách a při mechanickém zatížení.
• Izotopově značené experimenty pro potvrzení prekurzor‑produkt vztahů a kvantifikaci rychlostí transformace v alkalickém prostředí.
• Standardizace extrakčních postupů a kalibračních sad pro lepší kvantitativní vyhodnocení v cementitých matricích.
• Rozšíření ne‑cílených databází a knihoven MS/MS pro PFAS, včetně expertních filtrů pro betonový matrix.
• Integrované posouzení toxicity nově identifikovaných transformačních produktů a zohlednění jejich mobilizace při sanacích.

Závěr

Práce demonstruje, že kombinace QTOF vysokorozlišovací hmotnostní spektrometrie a pokročilého softwarového zpracování (FluoroMatch, LabSolutions Insight) je účinným nástrojem pro neličkové mapování PFAS v betonových matricích. Analýza ukázala, že cementové prostředí může ovlivňovat transformaci fluorotelomerových prekurzorů na sulfonamidy a další produkty, což má důsledky pro hodnocení rizika i navrhování sanačních opatření. Navržený workflow poskytuje robustní základ pro další výzkum chování PFAS v konstrukčních materiálech a pro optimalizaci monitoringu a remediací.

Reference

1. Interstate Technology & Regulatory Council. PFAS: Firefighting Foams. ITRC PFAS Team, guidance material on firefighting foams and PFAS (ITRC PFAS‑1).