The presence and sorption of bisphenols and benzophenones in plastic-containing electronic waste and vehicle fluff from Norwegian waste handling facilities

Abstract

EE-avfall og fluff fra kjøretøy kan bli beskrevet som komplekse blandinger av inhomogene materialer bestående av både verdifulle ressurser og farlige stoffer. Som del av ambisjonen om overgang til en sirkulær økonomi i Europa er det en økende interesse for utvikling av teknologi og prosesser for å gjenvinne alle råvarer i avfall, ikke bare metaller og halvmetaller, men også plastmaterialer.

Bisfenol A (BPA) er en forbindelse mye brukt som et tilsetningsstoff i polymerer. BPA blir faset ut ettersom stoffet har hormonforstyrrende effekter på biologiske systemer, og dermed erstattes BPA med andre bisfenoler. Det er imidlertid fortsatt ikke kjent hva som er det beste BPA-alternativet med tanke på gjenvinning, menneskelig eksponering og miljøpåvirkning. Et ideelt BPA-alternativ bør være forbundet med lav risiko for miljøutslipp og være enkel å gjenvinne. Ønskelige sorpsjonsegenskaper for et tilsetningsstoff er avhengig av hvordan resirkuleringsprosessen foregår; hvorvidt målet er å beholde tilsetningsstoffet inni materialet eller ekstrahere det.

Denne studien omfatter BPA-alternativer og benzofenoner funnet i EE-avfall og fluff fra kjøretøy. Konsentrasjonene av ni bisfenoler og fem benzofenoner ble målt i tolv prøver fra fem ulike avfallshåndteringsanlegg i Norge. Videre ble en metode for passiv prøvetaking ved bruk av polyoksymetylen (POM) utviklet for bruk i batch-eksperimenter i labskala for bisfenolene og benzofenonene. POM-metoden ble utviklet for å forstå sorpsjonen og hvordan disse stoffene utlekkes fra prøver av EE-avfall og fluff fra kjøretøy. Et sett med avfall-vann fordelingskoeffisienter (Kwaste) for bisfenolene og benzofenonene i avfallet ble etablert ved bruk av POM.

Stoffene som ble målt til å ha de høyeste konsentrasjonene var BPA, bisfenol F og bisfenol S med maksimale konsentrasjoner bestemt til henholdsvis 246000, 42400 og 332 ng/g. POM nådde likevektskonsentrasjoner med bisfenoler og benzofenoner i løpet av 14 dagers risting. Sorpsjonsisotermer for POM-vann viste veldig gode korrelasjoner for de ulike bisfenolene og benzofenonene (fra R^2 = 0.83 til 0.99), og fordelingskoeffisienter for POM-vann (Kpom) viste gode korrelasjoner med fordelingskoeffisienter for oktanol-vann (Kow): R^2 = 0.82. Bisfenol S og benzofenon-2 viste de laveste log Kwaste-verdiene (henholdsvis 1.6 ± 0.3 og 1.7 ± 0.2) i tillegg til de høyeste utlekkingsprosentene, henholdsvis 83 og 62%. Til dette formålet ble POM ansett som egnet for måling av fritt oppløste konsentrasjoner, siden korrelasjonen mellom log Kwaste og log Kpom var veldig god (R^2 = 0.84). Log Kwaste og log Kow resulterte i R^2 = 0.67. Dette indikerer at POM kan være en sorpsjonsfase som er bedre egnet som referanse for prøver av EE-avfall og fluff fra kjøretøy.

E-waste and vehicle fluff can be described as complex mixtures of inhomogeneous materials containing arrays of both valuable resources and hazardous substances. As part of the ambition in transitioning towards a circular economy in Europe, there is a growing interest in developing technology and processes for recycling all raw materials in waste, not only the metals and metalloids, but also the plastics.

Bisphenol A (BPA) is a compound frequently used as an additive in polymers. BPA is being phased out due to its endocrine effects on biological systems, and other bisphenols are replacing BPA. However, it is still not clear what the best BPA alternatives are when considering recycling, human exposure and environmental exposure. An ideal BPA alternative should have a low risk of environmental exposure and be easy to recycle. The desired sorption property of an additive depends on the approach of the recycling process; whether the objective is to contain the additive within the material or extract it.

This study concerns BPA alternatives and benzophenones found in E-waste and vehicle fluff. The concentrations of nine bisphenols and five benzophenones were measured in twelve samples from five different waste handling facilities in Norway. Moreover, a passive sampling method using polyoxymethylene (POM) was developed for use in lab-scaled batch experiments for bisphenols and benzophenones. The POM method was developed in order to understand the leachability and sorption of these substances in the E-waste and vehicle fluff samples. A set of waste-water partition coefficients (Kwaste) of the bisphenols and benzophenones in the plastic-containing waste were established using POM.

The substances measured to have the largest concentrations were BPA, bisphenol F and bisphenol S with maximum concentrations determined to 246000, 42400 and 332 ng/g, respectively. POM reached equilibrium concentrations with bisphenols and benzophenones within 14 days of shaking. POM-water sorption isotherms showed very good correlations for the different bisphenols and benzophenones (from R^2 = 0.83 to 0.99), and POM-water partition coefficients (Kpom) showed good correlations with octanol-water partition coefficients (Kow): R^2 = 0.82. Bisphenol S and benzophenone-2 showed the lowest log Kwaste values (1.63 ± 0.32 and 1.71 ± 0.16, respectively) in addition to the highest leaching percentages, 83 and 62%, respectively. For this purpose, POM was considered suitable for measuring freely-dissolved concentrations, as the correlation between log Kwaste and log Kpom was very good (R^2 = 0.84). The correlation between log Kwaste and log Kow resulted in R^2 = 0.67. This indicates that POM may be a better fitting reference sorption phase for E-waste and vehicle fluff samples.