澳大利亚昆士兰大学张承团队Nat. Commun.：创新聚合物吸附剂实现全氟和多氟烷基物质（PFAS）的高效去除 张承团队 净水万事屋 2024年10月14日 10:00 上海
成果简介
近日，昆士兰大学的研究团队在国际著名期刊《自然·通讯》发表了题为“Fluoropolymer sorbent for efficient and selective capturing of per- and polyfluorinated compounds”的研究论文。在这项突破性的研究中，作者展示了他们开发的可重复使用的氟聚合物吸附剂（PFPE-IEX+），该吸附剂通过独特的氟亲和作用和离子交换机制，能够在各种复杂水源中（包括垃圾渗滤液，饮用水等）高效去除多种长链和短链PFAS，特别是在难处理的短链PFAS上表现出显著优势。
引言
全球范围内，PFAS污染问题正日益严重，这些“永久化学物质”因其在不粘涂层、灭火泡沫、防水材料等多种工业和消费品中的广泛应用，已成为环境中的持久污染源。PFAS极难通过自然降解，并长期残留在生态系统和水源中，导致生物体和人体暴露于这些有害物质中，进而引发严重的健康问题，如癌症、免疫系统受损等。尽管目前已经有一些技术用于去除PFAS，但其去除效率低、成本高，并且在处理短链PFAS时效果尤为有限，未能满足实际应用需求。本文所报道的新型吸附剂PFPE-IEX+不仅去除效率高，还具备卓越的再生性能。通过简单的化学再生处理，吸附剂可以多次循环使用，其去除效率始终保持在90%以上。这种高效且可持续的性能，使得PFPE-IEX+在水处理技术领域中展现了极大的应用潜力，不仅有助于在基础研究中取得突破，还能为全球大规模水处理提供高效经济的解决方案。
图文导读
PFPE-IEX+吸附剂的核心技术突破在于其氟亲和作用和离子交换机制的创新性结合。这种设计使得吸附剂能够精准识别并捕获PFAS分子，尤其是那些通过传统技术难以有效去除的短链PFAS。PFAS化合物的氟元素在水溶液中具有极高的稳定性，这也是为什么传统的活性炭或其他吸附材料难以有效捕获这些分子的原因。而PFPE-IEX+吸附剂通过其氟亲和结构，能够针对性地吸附并牢固地固定这些含氟化合物，极大地提高了去除效率。离子交换机制则进一步增强了PFPE-IEX+对PFAS分子的选择性吸附。PFAS通常为带负电荷的分子，吸附剂中的离子交换位点通过与PFAS分子中的带电基团相互作用，能够更有效地将这些污染物从水中分离出来。这种双重机制不仅使得PFPE-IEX+能够处理复杂的水源条件，还能对各种链长的PFAS化合物进行高效吸附。
图1. （a-e）PFPE-IEX+吸附剂的合成路线以及结构表征。
高吸附容量和高去除效率是PFPE-IEX+的一大亮点。在实验中，PFPE-IEX+的吸附容量超过500 mg/g，这意味着每克吸附剂能够处理大量污染物。相较于传统的吸附技术，PFPE-IEX+不仅处理效率更高，且在处理短链和长链PFAS时都能保持高效稳定的性能。实验数据显示，在多种复杂水源环境中，PFPE-IEX+的去除效率均超过98%，展现了其广泛的适用性和技术潜力。
同时，PFPE-IEX+吸附剂的可再生性极大地延长了其使用寿命。通过简单的化学处理，吸附剂可以快速恢复其吸附性能。实验表明，PFPE-IEX+经过多次再生处理后，依然能够保持95%以上的去除效率。这种卓越的再生性能使其能够长时间在工业环境中应用，有效减少了材料更换的频率，降低了水处理设施的运行成本。
为了验证PFPE-IEX+吸附剂的实际应用潜力，课题组进行了广泛的实验测试，涵盖了垃圾填埋场渗滤液、工业废水和饮用水三类复杂水源。实验结果表明，PFPE-IEX+在垃圾填埋场渗滤液中展现了优异的去除效果，其去除率超过98%，特别是在处理短链PFAS（如PFBA和PFBS）方面，效果显著优于传统活性炭等吸附材料。与传统技术相比，PFPE-IEX+不仅在高污染浓度下保持高效去除，还具有更长的使用寿命和更低的更换频率。在工业废水处理实验中，PFPE-IEX+吸附柱即使在高负荷条件下，仍能维持95%以上的去除率，且经过多次再生后，吸附能力几乎没有下降，极大地降低了维护成本。而在饮用水净化实验中，PFPE-IEX+同样表现出卓越的去除效率，超过98%的去除率确保了水质安全，尤其是在短链PFAS的处理上展现了明显优势。这些实验数据表明，PFPE-IEX+在多种水源环境中都具有显著的技术优势，其高吸附容量、强再生性能和广泛适用性，使其在全球水处理应用中展现出巨大的潜力。
图2. （a）本文中关注的11中PFAS结构式，（b）PFAS去除效率，（c）动力学，（d-e）吸附容量，（f）吸附剂再生测试
再生性能
PFPE-IEX+吸附剂的再生性能是其一大亮点，通过简单的化学再生处理，能够多次循环使用，并且每次再生后的吸附性能几乎没有衰减，显著延长了使用寿命。在多轮再生实验中，PFPE-IEX+的去除效率始终保持在90%以上，即使在处理复杂水源如垃圾填埋场渗滤液和工业废水时，其吸附能力依然稳定。这得益于其高吸附容量和再生后的性能稳定性，相较于传统活性炭等吸附剂，PFPE-IEX+不仅具备更强的再生性，还能通过低能耗的简单化学处理恢复吸附能力。在实验中，PFPE-IEX+经过5次再生循环后，吸附能力仅有轻微下降，显示出其卓越的耐用性。这种优越的再生性能大大降低了吸附剂的更换频率和运营成本，特别适用于大型工业水处理设施，能够在长期使用中保持高效、经济的运行。
图3. （a-b）PFPE-IEX+在饮用水和垃圾渗滤液中的PFAS吸附效率，（c-d）不同浓度吸附剂在垃圾渗滤液中的吸附动力学
工业化应用
为了将PFPE-IEX+从实验室推广到工业领域，研究团队开发了一种基于该吸附剂的吸附柱系统，该系统能够在大规模工业环境中实现连续高效的水处理。吸附柱的核心设计是多层吸附床结构，确保污染物能够在水流通过吸附柱时与吸附剂充分接触，从而提高吸附效率。这种结构设计不仅最大限度地利用了吸附剂的吸附容量，还延长了吸附剂的使用寿命。
在工业应用中，PFPE-IEX+吸附柱系统展现出极高的效率，特别是在处理大量受污染的工业废水和垃圾填埋场渗滤液时表现出色。吸附柱系统能够在不频繁更换吸附剂的情况下，连续高效地处理大量水源。相较于传统的水处理技术，PFPE-IEX+吸附柱大大减少了吸附剂的消耗和维护成本，显著提高了工业水处理设施的运行效率。
吸附柱的模块化设计使其具有极高的灵活性和适应性。根据处理需求，吸附柱系统可以自由扩展或缩减，适应不同规模的水处理设施需求。同时，吸附柱的再生功能通过简单的化学再生步骤，能够快速恢复吸附剂的性能，这种再生过程不仅能耗低，还大幅降低了运行成本。
在实际应用中，PFPE-IEX+吸附柱系统在多次使用后依然表现出卓越的性能，证明其在工业废水处理和市政水处理系统中具有广泛的应用前景。通过将该系统集成到现有的水处理基础设施中，PFPE-IEX+技术为全球水资源保护和污染治理提供了一种高效、经济且可持续的解决方案。
图4. （a）PFPE-IEX+吸附柱系统，（b）垃圾渗滤液中PFAS吸附柱的原位吸附以及再生，（c）饮用水中PFAS吸附柱的持续去除，（d）原位再生测试
可持续性与环境效益
PFPE-IEX+不仅在再生过程中表现出色，其整体环保性能也非常突出。通过减少吸附剂的更换频率和提高再生效率，PFPE-IEX+显著降低了废弃吸附材料的产生，减少了对环境的影响。传统的吸附材料往往在使用几次后便需丢弃，而PFPE-IEX+能够长期使用，大幅降低了固体废物的产生。这种可持续性使其成为全球水处理设施中环保高效的理想选择，尤其是在需要大规模处理的工业项目中，其再生性能将带来巨大的环保和经济收益。
通过多轮实验验证，PFPE-IEX+吸附剂的再生能力和耐用性得到了充分展现，其长期使用中的成本效益和环境效益都非常显著。这种高效的再生技术使PFPE-IEX+在大规模水处理系统中展现出巨大的应用前景，尤其适合于要求高效且低运营成本的工业和市政水处理设施。
未来展望
PFPE-IEX+吸附剂技术的成功开发为解决全球性PFAS污染问题提供了全新的路径。随着世界各国对环境污染的关注日益增加，PFPE-IEX+的高效去除能力、出色的再生性能以及经济性使其具备广泛的全球应用潜力。未来，PFPE-IEX+有望在全球范围内推广，并在多种环境污染治理领域发挥关键作用。
全球应用潜力
PFPE-IEX+不仅适用于工业废水处理，还可用于市政水处理、垃圾填埋场渗滤液治理、地下水修复等多个领域。其高效的去除能力和再生性能使其特别适合应用于需要处理大量污染水源的大型工业设施和市政水处理厂。随着环保法规的日益严格，许多国家和地区已经开始对PFAS污染提出更高的处理要求。PFPE-IEX+作为一项革命性的水处理技术，能够有效应对这些挑战，并为世界各地的水资源保护提供强有力的技术支持。
在发展中国家和缺乏先进水处理技术的地区，PFPE-IEX+的成本效益和高效去除能力也使其具备显著的应用前景。其再生性能能够大大降低运营成本，这对于资源有限的地区尤其重要。通过与当地水处理设施合作，PFPE-IEX+吸附柱系统有望在全球范围内推广，帮助解决不同地区面临的水污染问题。
应对不同环境条件的挑战
全球各地的水质和污染情况差异显著，PFPE-IEX+吸附剂需要适应不同的环境条件。例如，在高盐度或高有机污染的水体中，吸附剂的性能可能受到影响。研究团队计划继续探索如何改进PFPE-IEX+在极端环境中的稳定性和高效性，从而确保其在全球各地的水处理应用中都能取得理想效果。
未来，课题组还将与各国的水处理设施合作，针对不同地区的具体需求进行定制化优化，确保PFPE-IEX+能够灵活应对不同的水质条件和污染特性。这种灵活性将使PFPE-IEX+成为全球水处理行业中的重要技术工具，为全球水资源保护和环境修复提供持续支持。
小结
PFPE-IEX+吸附剂技术为全球水处理领域带来了革命性突破，其高效去除PFAS的能力、卓越的再生性能以及长期的经济可行性使其在未来的水处理技术发展中占据了重要地位。通过成功解决当前水处理技术面临的挑战，PFPE-IEX+展现了其在工业废水处理、市政水处理和环境修复中的广泛应用潜力收。
随着全球对环保要求的不断提升，PFPE-IEX+吸附柱系统的推广将为解决全球性的PFAS污染问题提供有力支持，并且通过与课题组的进一步研究优化，该技术有望扩大其在其他环境污染物处理中的应用范围。PFPE-IEX+不仅提供了可靠的污染物去除解决方案，还展示了强大的可持续性和经济效益，将在全球水处理行业中持续发挥重要作用。
作者简介
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通讯作者：张承，昆士兰大学聚合物化学课题组组长（https://aibn.uq.edu.au/zhang）。张承课题组是一个专注于推动（氟）聚合物化学及其对社会影响的研究团队，通过探索结构-性质关系来开发创新的功能性PFAS吸附降解平台。这些平台包括用于从环境中浓缩和销毁全氟化合物的新技术，以及用于能量存储设备（包括电池）的下一代氟化组分，同时也包括用作分子成像剂的聚合物。课题组在国际知名期刊发表论文90余篇，包括Nature Materials, Nature Reviews Materials, Chemical Reviews, JACS, Angewandte Chemie等，授权PFAS相关专利3项，参与撰写英文专著1部。在追求学术卓越和社会参与的同时，该团队积极与工业界交流合作，包括杜邦、科慕公司等，弥合基础研究与实际应用之间的鸿沟，产生全球性的影响。近年来，张承课题组在PFAS研究方面取得了显著成果，通过与公众积极互动，提高了人们对环境问题尤其是PFAS毒性的重视。课题组的研究吸引了国内外媒体的关注，最近一项研究成果在超过450家新闻媒体上亮相，潜在受众达1.4亿人次。此外，张承博士曾是呼吁世界卫生组织彻底修改或撤回两种经过深入研究的PFAS物质饮用水指南的科学家之一。
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第一作者：杨卓景，现博士第二年在读学生，专注于聚合物化学，尤其致力于解决日益严重的全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染问题。在2022年于昆士兰大学获得分子生物学硕士学位后，杨卓景于2023年开始了在澳大利亚生物工程与纳米技术研究所（AIBN）和先进成像中心（CAI）的博士研究。在张承博士课题组，杨卓景的研究聚焦于设计环保稳定且可重复使用的含氟吸附剂，用于高效捕捉PFAS。秉持着对环境可持续性和公共健康的坚定承诺，杨卓景致力于开发高效且具有选择性的技术，长期去除各种受污染水源中的PFAS。
