东莞理工学院林辉团队：从氟化工废水中广谱捕获数百种全氟烷基和多氟烷基物质

氟化学生产废水中存在数百种全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS），鉴于PFAS的结构极其多样化，现有的吸附装置不足以应对这一挑战。

文章中使用结合锌基电凝（EC）和阴离子交换树脂（AER）床的处理序列策略，从氟化学流出物中实现了107种PFAS的广谱捕获。

由锌基EC原位生成的“零碳”吸附剂氢氧化锌絮凝体通过类似于矿物浮选的半胶束吸附机制，用logKow>4批量去除PFAS，并达到所有已报道吸附剂的最佳吸附容量。技术经济分析和生命周期环境影响表明，与单独的AER床相比，耦合锌基EC可将成本降低一个数量级，并将碳足迹降低70%。还观察到，碘化PFAS与一些氟原子被碘原子取代，表现出显著提高的吸附选择性，这可能为设计环保型氟化学品提供线索。

1. PFAS的危害与污染现状

PFAS广泛分布于环境中，几乎所有新生儿血液中都能检测到PFAS，它与癌症、生殖毒性等严重健康问题相关。工业废水，尤其是氟化工废水，是PFAS进入环境的主要来源之一。如中国山东某大型氟化工产业园在2021年向空气和水中排放了大量的全氟辛酸（PFOA）和六氟环氧丙烷（HFPO），对城市水源造成严重威胁。

2. 现有处理技术的局限性

PFAS由于其稳定的螺旋结构和强碳氟键，难以从废水中去除。先进的氧化还原技术存在条件苛刻、能耗高和难以完全矿化PFAS的问题；微生物处理对某些多氟化合物有一定潜力，但目前应用有限；吸附是常用技术，传统的活性炭（AC）和阴离子交换树脂（AER）虽经济可行，但在处理复杂废水中的PFAS时效果有限，受溶解有机物（DOMs）和各种阴离子等竞争成分影响，吸附选择性降低，且现有研究和工程处理主要集中在相对清洁的水体。

1. 创新点

文章提出一种类似反向矿物浮选的过程，利用锌基电凝聚（EC）原位生成的氢氧化锌絮凝物作为疏水性“矿物颗粒”，通过半胶束吸附机制选择性地从水中提取PFAS，再结合现有的AC和/或AER吸附装置去除剩余的低浓度短链PFAS。

2. 实验验证

研究评估了107种PFAS，涵盖多种类型，其中PFOA在氟化工废水中浓度最高，占总PFAS浓度的48.7%。实验对比了不同吸附剂和EC系统对PFOA的去除效果，发现锌基EC系统去除率可达92±1.5%，而AC和PFA694E的去除率较低，分别为16.5±5.9%和26.9±1.5%。同时，锌基EC系统能显著降低总有机氟（TOF）浓度，对长链PFAS去除效果显著。

     

图1 氟化工废水中107种PFAS的分布

（1）吸附机制

锌基EC选择性吸附疏水性PFAS，其吸附系数（Kd）与PFAS的辛醇/水分配系数（logKow）相关，logKow>4的PFAS优先被吸附。氢氧化锌絮凝物通过疏水作用和范德华力吸附PFAS，形成半胶束或胶束，实现多层吸附，吸附容量极高，如对PFOA和PFOS的吸附量分别高达6.4±0.4mmolg?1和7.5±0.04mmolg?1，远高于传统吸附剂。

     

     

图2 从氟化工废水中去除PFAS的不同系统的性能

（2）PFAS结构对吸附性能的影响

①结构因素影响：高度氟化（F/C>1.6）且氟原子数量多（>8）的PFAS更易被优先吸附；含有6个或更多[CFn]单元的PFAS倾向于被优先吸附，但[CHn]基团会降低其吸附性；醚键（C-O- C）的存在会降低Ether - PFAA的吸附性。

②卤代影响差异：氯化PFAS（Cl - PFAS）与非氯化PFAS的吸附性相似或略高，但短链Cl - PFCA无优先吸附现象；碘化PFAS（I - PFAA）结构特殊虽F/C和F/H比值低，但Kd值远大于1，吸附选择性显著提高，且在自然条件下易降解，在电氧化处理中降解速率快于其他PFAS。

     

图3 PFAS的选择性吸附

     

图4 锌基EC吸附PFAS的机理

     

图5 PFAS化学结构对其吸附性的影响

3.处理策略的评估与展望

（1）实验验证效果

通过快速小规模柱测试（RSSCT）突破实验，验证了锌基EC耦合PFA694E床吸附处理策略的有效性。该策略能显著提高PFA694E床对PFAS的去除效果，延长其使用寿命，如使PFOA的BV80突破值增加12.3倍。

（2）技术经济与环境影响

技术经济分析和生命周期环境影响评估表明，锌基EC处理成本约为$1.43/m3，处理列车策略成本为$4.52/m3，而单独使用PFA694E床系统成本高达$49.94/m3。处理列车策略的碳足迹仅为PFA694E床单独使用时的27.3%，且产生的其他污染物少。

（3）未来研究方向

开发提高氢氧化锌絮凝物PFAS吸附能力的方法，研究Zn2+水解行为和关键水解产物；探索废氢氧化锌絮凝物的资源化再利用；进一步研究碘化PFAS的环境行为和命运，为设计环保型PFAS提供依据。

本文聚焦于氟化工废水中的全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染问题。由于PFAS对人体健康危害大且广泛存在于环境中，现有处理技术在应对氟化工废水时存在局限性。

研究团队提出并采用锌基电凝聚（EC）与阴离子交换树脂（AER）床相结合的处理策略，成功从废水中捕获107种PFAS。

通过实验对比分析不同处理方式的效果，深入探究了吸附机制以及PFAS结构对吸附性能的影响，还开展了技术经济分析和生命周期环境影响评估。结果显示该处理策略不仅成本降低、碳足迹减少，还发现碘化PFAS吸附特性独特，为解决氟化工废水PFAS污染及环保型氟化物设计提供了有效方案。

（来源：新污染物检测与筛查评估 ）