{"id":15923,"date":"2026-06-10T06:51:59","date_gmt":"2026-06-10T06:51:59","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/marko-pranic\/"},"modified":"2026-06-10T06:52:07","modified_gmt":"2026-06-10T06:52:07","slug":"marko-pranic","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/marko-pranic\/","title":{"rendered":"Marko Pranic"},"content":{"rendered":"","protected":true},"excerpt":{"rendered":"","protected":true},"author":7,"featured_media":15924,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-15923","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","post-password-required","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"naam_van_het_proefschift":"CARBON AGAINST PFAS","samenvatting":"De verwijdering van per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS) door actief kool (AC) en de regeneratie van AC onder omstandigheden die relevant zijn voor de drinkwaterzuivering werden onderzocht in dit proefschrift. Het werk werd gemotiveerd door de steeds strengere regelgevende limieten voor PFAS in drinkwater, de groeiende relevantie van korteketens-PFAS en de geringe verwijdering van PFAS door granulaire actief kool (GAC) filters die op sporenniveaus worden gebruikt. Door systematische batchexperimenten, mechanistische modellering en regeneratiestudies te combineren, biedt dit proefschrift een coherent kader om te begrijpen waarom PFAS-adsorptie fundamenteel beperkt is op ng\/L-niveaus en hoe deze beperkingen in de praktijk kunnen worden verzacht.\n\nEen centrale bevinding van dit proefschrift is dat PFAS-adsorptie op AC zich fundamenteel anders gedraagt bij milieu-relevante concentraties dan bij de verhoogde concentraties die de wetenschappelijke literatuur domineren. Adsorptie-isothermparameters bleken sterk afhankelijk te zijn van de initi\u00eble PFAS-concentratie die werd gebruikt om het evenwicht te bereiken. Isothermen afgeleid op \u00b5g\/L-mg\/L niveaus overschatten de adsorptiecapaciteit op ng\/L-concentraties aanzienlijk, voornamelijk omdat hoge concentraties co\u00f6peratieve adsorptieverschijnselen zoals aggregatie en meerlaagse vorming bevorderen, die op sporenniveaus worden onderdrukt. Als gevolg hiervan kunnen adsorptiegegevens verkregen bij hoge concentraties niet direct worden ge\u00ebxtrapoleerd om de prestaties van GAC in drinkwaterzuivering te voorspellen.\n\nDe kinetiek van PFAS-adsorptie was inherent traag onder omstandigheden die relevant zijn voor drinkwaterzuivering. Er werd aangetoond dat het transport binnen de deeltjes voornelijk wordt bepaald door oppervlaktediffusie in plaats van poriediffusie, waarbij de oppervlaktediffusieco\u00ebffici\u00ebnten afnemen wanneer er meer adsorptieplaatsen beschikbaar zijn, bij lagere PFAS-concentraties en in koolstoffen met een hoger mesoporievolume. Als gevolg van het feit dat oppervlaktediffusie het PFAS-transport binnen de deeltjes bepaalt, zijn lange evenwichtstijden nodig in batchsystemen en lange contacttijden (EBCT) in kolomsystemen om een hoge PFAS-verwijdering te bereiken.\n\nCompetitieve adsorptie tussen verschillende PFAS werd ge\u00efdentificeerd als een belangrijk mechanisme dat de PFAS-verwijdering in GAC-systemen beheerst. Langketen-PFAS winnen het consequent van korteketens-PFAS vanwege sterkere hydrofobe interacties en, in sommige gevallen, desorptie van korteketens-PFAS. Deze competitie vindt zowel dynamisch plaats, door verschillen in adsorptiekinetiek, als in evenwicht onder omstandigheden van beperkte adsorptieruimte.\n\nDe rol van AC-eigenschappen werd verduidelijkt door poriegrootteverdeling, oppervlaktechemie en transporteffecten van elkaar te scheiden. Een hoger microporie-oppervlak leidde niet tot een verhoogde PFAS-adsorptie. In plaats daarvan domineren mesopori\u00ebn de PFAS-adsorptie omdat traag transport binnen de deeltjes een effectief gebruik van de micropori\u00ebn verhindert. Koolstoffen met een hoog mesoporievolume werden ge\u00efdentificeerd als het meest effectief voor PFAS-verwijdering. Oppervlakteading be\u00efnvloedt de adsorptie verder: koolstoffen met een lage concentratie aan zure oppervlaktegroepen of een netto positieve oppervlaktelading vertonen een verbeterde PFAS-adsorptie, vooral voor korteketens-verbindingen.\n\nNatuurlijk organisch materiaal (NOM) werd ge\u00efdentificeerd als de dominante externe factor die PFAS-adsorptie beperkt in watermatrices die vaak voorkomen bij drinkwaterzuivering. NOM verminderde de PFAS-adsorptiecapaciteit met ten minste een orde van grootte, waarbij NOM-fracties met een laag molecuulgewicht werden ge\u00efdentificeerd als de meest competitieve soorten. Deze bevindingen verklaren de snelle PFAS-doorbraak die wordt waargenomen in GAC-filters en tonen aan dat effectieve PFAS-verwijdering niet kan worden bereikt door GAC alleen, zonder de competitie door NOM aan te pakken.\n\nTemperatuureffecten beperkten de PFAS-verwijdering verder. Een stijgende temperatuur verminderde de adsorptie van korteketens-PFAS, wat wijst op een lagere affiniteit van deze verbindingen voor actieve kool bij hogere temperaturen, terwijl de adsorptie van langketen-PFAS grotendeels onafhankelijk was van de temperatuur. Hierdoor kunnen de verwijderingsprestaties van korteketens-PFAS seizoensgebonden vari\u00ebren, waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van zuiveringssystemen.\n\nOm deze mechanistische inzichten naar de praktijk te vertalen, evalueerde dit proefschrift strategie\u00ebn om de PFAS-verwijdering te verbeteren en de operationele kosten van drinkwaterzuivering te verlagen. De resultaten wijzen erop dat het selecteren van GAC's met een hoog mesoporievolume en een gunstige oppervlaktelading, het verwijderen van concurrerende NOM via biologische behandeling of gecombineerde O\u2083-BAC-processen, en het toepassen van voorspellende modelleringskaders die expliciet rekening houden met competitie op adsorptieplaatsen en door oppervlaktediffusie beperkt transport, de meest veelbelovende benaderingen voor de nabije toekomst zijn.\n\nTen slotte verkende dit proefschrift elektroregeneratie als een potentieel alternatief voor de frequente thermische reactivatie van GAC-filters. Er werd aangetoond dat elektroregeneratie bij voorkeur korteketens-PFAS desorbeert en deze in een kleiner volume concentreert, wat het potentieel aantoont om de levensduur van het filter te verlengen en de ecologische voetafdruk van PFAS-verwijdering te verkleinen. Hoewel verdere ontwikkeling nodig is voor grootschalige implementatie, bieden deze resultaten een 'proof of concept' voor een duurzamere regeneratiestrategie.\n\nConcluderend toont dit proefschrift aan dat PFAS-verwijdering door actieve kool bij drinkwaterconcentraties plaatsvindt op de grenzen van adsorptie. Lage influentconcentraties, traag transport binnen de deeltjes, sterke competitie van NOM en gelijktijdig voorkomende PFAS, en temperatuureffecten beperken gezamenlijk de adsorptieprestaties. Door deze beperkingen te identificeren en te koppelen aan meetbare materiaaleigenschappen en operationele omstandigheden, biedt dit werk een mechanistische basis voor het verbeteren van het ontwerp van PFAS-behandeling, modellering en regeneratie van actieve koolfilters, terwijl het duidelijk de voorwaarden definieert waaronder actieve kool PFAS wel en niet effectief kan adsorberen.","summary":"The removal of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) by activated carbon (AC) and the regeneration of AC under conditions relevant for drinking water treatment were investigated in this PhD Thesis. The work was motivated by increasingly stringent regulatory limits for PFAS in drinking water, the growing relevance of short-chain PFAS, and the low removal of PFAS by granular activated carbon (GAC) filters operated at trace concentrations. By combining systematic batch experiments, mechanistic modelling, and regeneration studies, this Thesis provides a coherent framework to understand why PFAS adsorption is fundamentally limited at ng\/L levels and how these limitations can be mitigated in practice.\n\nA central finding of this Thesis is that PFAS adsorption on AC behaves fundamentally differently at environmentally relevant concentrations than at the elevated concentrations that dominate the scientific literature. Adsorption isotherm parameters were shown to depend strongly on the initial PFAS concentration used to reach equilibrium. Isotherms derived at \u00b5g\/L\u2013mg\/L levels substantially overestimate adsorption capacity at ng\/L concentrations, primarily because high concentrations promote cooperative adsorption phenomena such as aggregation and multilayer formation that are suppressed at trace levels. As a result, adsorption data obtained at high concentrations cannot be directly extrapolated to predict GAC performance in drinking water treatment.\n\nPFAS adsorption kinetics were inherently slow under conditions relevant to drinking-water treatment. Intraparticle transport was shown to be governed predominantly by surface diffusion rather than pore diffusion, with surface diffusion coefficients decreasing when more adsorption sites are available, at lower PFAS concentrations, and in carbons with higher mesopore volume. As a consequence of surface diffusion controlling PFAS intraparticle transport, long equilibration times are required in batch systems and long empty bed contact times are required in column systems to achieve high PFAS removal.\n\nCompetitive adsorption between different PFAS was identified as a key mechanism controlling PFAS removal in GAC systems. Long-chain PFAS consistently outcompete short-chain PFAS due to stronger hydrophobic interactions, and in some cases, desorption of short-chain PFAS. This competition occurs both dynamically, due to differences in adsorption kinetics, and at equilibrium under conditions of limited adsorption space.\n\nThe role of AC properties was clarified by decoupling pore size distribution, surface chemistry, and transport effects. A higher micropore surface area did not result in increased PFAS adsorption. Instead, mesopores dominate PFAS adsorption because slow intraparticle transport prevents effective utilization of micropores. Carbons with high mesopore volume were identified as most effective for PFAS removal. Surface charge further influences adsorption: carbons with a low concentration of acidic surface groups or a net positive surface charge exhibit enhanced PFAS adsorption, particularly for short-chain compounds.\n\nNatural organic matter (NOM) was identified as the dominant external factor limiting PFAS adsorption in water matrices often found in drinking water treatment. NOM reduced PFAS adsorption capacity by at least an order of magnitude, with low-molecular-weight NOM fractions identified as the most competitive species. These findings explain the rapid PFAS breakthrough observed in GAC filters and demonstrate that effective PFAS removal cannot be achieved by GAC alone without addressing NOM competition.\n\nTemperature effects further limited PFAS removal. Increasing temperature reduced adsorption of short-chain PFAS, reflecting a lower affinity of these compounds for activated carbon at higher temperatures, whereas adsorption of long-chain PFAS was largely temperature-independent. As a result, short-chain PFAS removal performance may vary seasonally, which should be considered in treatment system design.\n\nTo translate these mechanistic insights into practice, this Thesis evaluated strategies to improve PFAS removal and reduce operational costs of drinking water treatment. The results indicate that selecting GACs with high mesopore volume and favourable surface charge, removing competing NOM through biological treatment or combined O\u2083\u2013BAC processes, and applying predictive modelling frameworks that explicitly account for adsorption site competition and surface-diffusion-limited transport are the most promising near-term approaches.\n\nFinally, this Thesis explored electroregeneration as a potential alternative to frequent thermal reactivation of GAC filters. Electroregeneration was shown to preferentially desorb short-chain PFAS and concentrate them into a smaller volume, demonstrating its potential to extend filter lifetime and reduce the environmental footprint of PFAS removal. While further development is required before full-scale implementation, these results provide a proof of concept for a more sustainable regeneration strategy.\n\nIn conclusion, this Thesis demonstrates that PFAS removal by activated carbon at drinking water concentrations operates at the limits of adsorption. Low influent concentrations, slow intraparticle transport, strong competition from NOM and co-occurring PFAS, and temperature effects collectively limit adsorption performance. By identifying these limitations and linking these to measurable material properties and operating conditions, this work provides a mechanistic basis for improving PFAS treatment design, modelling, and regeneration of activated carbon filters, while clearly defining the conditions under which activated carbon can, and cannot, adsorb PFAS effectively.","auteur":"Marko Pranic","auteur_slug":"marko-pranic","publicatiedatum":"1 juli 2026","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/markopranic?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/f9a02de0-cf46-49fb-8542-6741cb200334\/optimized","url_epub":"","ordernummer":"18941","isbn":"978-94-6534-458-4","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Wageningen University","afbeeldingen":15925,"naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Wageningen University","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/15923","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/7"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=15923"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/15923\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":15926,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/15923\/revisions\/15926"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/15924"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=15923"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=15923"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}