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水体中全氟和多氟烷基化合物(PFASs)去除技术的研究进展与发展趋势

罗大鹏 ,  郭卫广 ,  孙永亮 ,  尹朝阳 ,  卢龙 ,  佟洪金

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 60 -63.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 60-63. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.012
技术进展

水体中全氟和多氟烷基化合物(PFASs)去除技术的研究进展与发展趋势

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Research progress and development trends in removal technologies for per- and poly-fluoroalkyl substances (PFASs) in water bodies

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摘要

综述了水中PFASs的来源及污染现状。详细阐述了物理法、化学法及生物法在去除水体中PFASs的最新研究进展。从人工智能、材料科学及生物技术方面探讨了从水体中高效低成本、绿色、经济去除PFASs未来展望。

Abstract

A comprehensive review is conducted on the sources and current contamination situation of per- and poly-fluoroalkyl substances (PFASs) in aquatic environment.The latest advances in using physical,chemical,and biological methods to remove PFASs from water bodies are systematically elaborated.Furthermore,the prospects for removing PFASs in efficient,low-cost,green,and economic ways in the future are explored from the interdisciplinary viewpoints covering artificial intelligence,materials science,and biotechnology.

关键词

全氟和多氟烷基化合物(PFASs) / 生物技术 / 材料科学 / 人工智能

Key words

per- and poly-fluoroalkyl substances (PFASs) / biotechnology / materials science / artificial intelligence

Author summay

罗大鹏(1991-),男,博士生,工程师,研究方向为水环境中新污染物去除技术研究,

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罗大鹏,郭卫广,孙永亮,尹朝阳,卢龙,佟洪金. 水体中全氟和多氟烷基化合物(PFASs)去除技术的研究进展与发展趋势[J]. , 2025, 45(11): 60-63 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.012

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全氟及多氟烷基化合物(PFASs)是一类人工合成的持久性有机污染物,分子结构中包含至少1个完全氟化的甲基或亚甲基碳原子[1]。PFASs具有很强的热稳定性、化学惰性和表面活性,被广泛应用于涂层、电镀及电子等领域。然而,这些特性也导致其在环境中的持久性积累与长距离迁移,对生态系统和人类健康构成严峻威胁。
PFASs可通过饮用水、食物链等多种暴露途径进入生物体并在生物组织内富集。流行病学研究表明,长期暴露于PFASs中会对人类免疫、代谢、生殖、神经及心血管系统的健康造成危害。PFASs在水体环境中的广泛赋存不仅源于C—F键的化学稳定性,更受限于现有水处理技术的效能瓶颈。传统工艺水处理工艺虽对长链PFASs具有一定去除效果,但对短链同系物及新型替代物的去除效率显著下降。因此,开发出一套高效、节能、经济且环境友好的水体中PFASs处理技术已成为环境科学与工程领域的研究热点。本文中系统综述了水体中PFASs的污染来源及赋存特征,重点从物理法、化学法及生物法3大技术路径剖析其去除机制与最新的前沿进展。同时,结合人工智能、新型材料及生物学的研究突破,展望PFASs治理技术的未来发展方向,以期为水环境中PFASs的高效去除提供理论支撑与技术参考。

1 水体中PFASs的污染来源

水体中的PFASs来自点源污染和非点源污染。点源污染主要来自城镇固体废物处置场,包括垃圾填埋场、焚烧厂和堆肥设施,氟化工企业、城镇污水处理厂及消防训练场所等。Chen等[2]对美国的4座垃圾填埋场的渗滤液及地下水进行分析研究,发现PFASs平均浓度分别为6 900、260 ng/L。Moneta等[3]对意大利米兰市的4个污水处理厂进水及出水样品中25种PFASs进行研究,发现进出水样品中PFASs浓度范围分别为24.1~66.9 μg/L和13.4~107 μg/L。Jiang等[4]对中国2个工业园区的52家电镀企业产生的镀铬废水进行分析研究,发现镀铬废水中PFASs总浓度的范围为0~2 121 μg/L,平均浓度分别为224.9、108.8 μg/L。
大气的干湿沉降是水体中PFASs的主要非点源污染形式,这使得PFASs能够在远离原始排放源的地方被发现[5],Hartz等[6]在北极斯匹次卑尔根岛周围的地表积雪中检测到36种PFASs。含氟农药的大量使用同样导致水体中PFASs的非点源污染。研究发现[7],美国所有传统农药活性成分中近四分之一是有机氟,14%是PFASs。Peter等[8]通过对美国印第安纳州某农业为主的小流域范围内103口私人水井,以及流域内的168个地表水采样点中PFASs含量进行检测分析,证实了农业流域污泥施用是水体中PFASs污染的重要原因。

2 水体中PFASs的污染现状

自20世纪50年代工业化生产以来,PFASs通过工业排放、消防泡沫使用、生活污水及废弃物处置等多种途径进入水体。美国地质调查局研究人员基于掌握的大量地下水监测数据,使用机器学习模型预测美国本土有7 100万~9 500万人可能使用含有可检测PFASs浓度的地下水作为饮用水[9]。美国北卡罗来纳州PFASs制造工厂附近开普菲尔河地表水中检测到3 617 ng/L的PFASs含量[10]。Li等[11]通过对德国莱茵河长达10余年的观测研究发现,莱茵河中总PFASs的平均浓度为32.83 ng/L,主要来源是农用化学品、制药和纺织工业。中国目前已成为世界最大的氟化工产品生产及消费国,氟化工业发达地区如山东、江苏等区域的地表水体中均能检测到了高浓度的PFASs。国内外水体中PFASs污染现状如表1所示。

3 水体中PFASs的去除技术

近年来,众多科研机构及相关企业聚焦水体中PFASs的去除技术并取得了显著进展,主要可分为物理法、化学法和生物法3大类。

3.1 物理法

3.1.1 吸附法

吸附法主要利用物理吸附作用将水中的PFASs富集在吸附剂表面,通过固液分离降低水体中PFASs浓度。常用的吸附材料包括活性炭、离子交换树脂、生物炭等。Shin等[20]制备了一种基于商业颗粒活性炭(GAC)并负载Cu(Ⅱ)的新型吸附剂(GAC-Cu),以增强全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)的吸附能力,与GAC相比,GAC-Cu对PFOA和PFOS的最大吸收量分别增加了20.4%和35.2%。除了传统的吸附材料外,金属有机框架材料(MOFs)、共价有机框架材料(COFs)、分子印迹聚合物(MIPs)等一大批新型材料越来越多应用到水体中PFASs的去除。

3.1.2 膜分离

膜处理技术,特别是纳滤和反渗透,对PFASs具有较高的去除效率。Jia等[21]对大型纺织印染污水处理厂27种传统和新型PFASs的赋存和迁移情况进行研究,发现90%的PFASs可以被RO工艺去除。Le等[22]利用MXene纳米片对薄膜复合中空纤维纳滤膜进行功能化处理,PFOS的截留率从72%提升至96%以上。

3.1.3 泡沫分馏

泡沫分馏技术处理废水中的PFASs,因去除效率高、对来水适应性强等特点成为了目前发展迅速的水处理技术。Hu等[23]通过泡沫分馏增强废水中PFOS的去除,40 min内达到吸附平衡且最大吸附容量达到1 015.04 mg/g。

3.2 化学法

3.2.1 高级氧化法

热活化过硫酸盐被认为是氧化PFOA最有效的高级氧化工艺之一。Lee等[24]研究发现,在过硫酸盐氧化体系中加入碳气凝胶后,PFOA脱氟效率达34.5%。Jiang等[25]制备磁性铁基催化剂活化过二硫酸盐,30 min内97.9%的PFOS被降解。

3.2.2 电化学氧化法

电化学氧化法去除水体中PFASs,原理是通过阳极表面直接氧化或电极表面电解水分子及其他离子产生的强氧化物降解污染物。Zhao等[26]使用硼掺杂金刚石(BDD)阳极激活过硫酸盐(PS)的电化学高级氧化工艺,通过优化BDD/PS系统中的电流密度、过硫酸盐浓度及初始pH等关键参数,成功实现了对代表性PFOA和PFOS的近100%去除,并显著提高了脱氟率。

3.2.3 光催化氧化法

光催化氧化技术无需高温高压,反应条件温和,能将PFASs彻底矿化,减少二次污染,具有良好的应用前景。Wang等[27]通过光化学沉积-煅烧法合成铋纳米颗粒修饰的钛氧化物Bi/TiO2,并用于PFOA的光催化降解,PFOA去除率达到99.3%,脱氟率58.6%。

3.3 生物修复法

3.3.1 微生物修复

Tang等[28]研究评估了本地微生物群落对TFA、PFOA和HFPO-DA的生物降解能力。经过10个月的微生物处理,TFA、PFOA和HFPO-DA的生物去除效率分别为(8.03±3.03)%、(13.52±4.96)%和(5.45±2.99)%,脱氟率分别为(3.46±2.73)%、(8.44±1.88)%和(3.02±0.62)%。

3.3.2 植物修复

Nassazzi等[29]研究了向日葵、芥菜和工业大麻对PFASs的植物提取潜力,结果显示,3种植物均能超积累至少5种目标PFASs。Lintern等[30]研究水蕨类植物Azolla filiculoides对7种PFASs的植物修复潜力,发现7种PFASs均被植物吸收,但生物富集系数较低。

4 水体中PFASs的去除技术发展趋势

4.1 人工智能的广泛应用

人工智能正推动PFASs治理技术向智能化与精准化跃升。首先,利用人工智能对海量实验与现场数据进行挖掘,显著缩短高性能材料研发周期。同时,人工智能通过实时分析水体成分、流速等参数,动态优化高级氧化、膜分离等工艺的运行条件,实现去除效率最大化与能耗最小化。未来,人工智能将耦合量子化学计算,实现对PFASs降解路径与副产物的精准模拟,为开发靶向性更强、环境更友好的净化技术提供核心驱动力。

4.2 材料科学的技术突破

材料创新是突破PFASs去除技术瓶颈的关键。通过分子工程调控共价有机框架(COFs)、金属有机框架(MOFs)的孔径与表面化学,可实现对短链PFASs及新型替代物的高效捕获。此外,自修复膜、光响应吸附剂等智能材料的研究将解决材料污染、再生困难等工程应用难题,推动技术从实验室向工程化、规模化应用迈进。

4.3 生物技术的深度赋能

通过宏基因组学、蛋白质工程等手段,有望定向改造或设计具有增强型脱氟能力的工程菌株及酶制剂,破解C—F键生物降解的动力学瓶颈,实现PFASs低能耗、低二次污染的原位修复。

5 结论

PFASs作为一类具有持久性、生物累积性和毒性的污染物,对水环境和人类健康构成了严重威胁。随着全球对PFASs污染的日益关注,水体中PFASs的去除技术研究取得了显著进展。展望未来,随着人工智能、材料科学和生物技术的快速发展,多技术协同且绿色低碳的PFASs去除方案将成为主流,为全球水环境安全提供有力保障。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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