
2024级博士生乌尼乐发表FESE:过硫酸盐高级氧化工艺在PFAS去除中展现优势
第一作者:乌尼乐 2024级博士生
通讯作者:汤琳教授、余江芳助理教授
论文DOI: 10.1007/s11783-025-2041-4
图文摘要
成果简介
近日,湖南大学环境科学与工程学院汤琳课题组在Frontiers of Environmental Science & Engineering上发表了题为“Per- and polyfluoroalkyl substances in the environment and their removal by advanced oxidation processes”的综述论文(DOI:10.1007/s11783-025-2041-4)。全氟及多氟烷基化合物(PFAS)因其毒性、化学稳定性和环境持久性构成全球污染治理挑战。该研究系统评述了环境中PFAS的环境归趋与累积模式,重点聚焦过硫酸盐高级氧化工艺(PS-AOPs)作为一种可行的修复策略。关键贡献包括:1)梳理了PFAS在环境中的迁移转化规律;2)论证了PS-AOPs在降解PFAS方面优于亚硫酸盐-高级还原工艺(Sulfite-ARPs);3)系统分析了各类PS-AOPs的最新进展,涵盖其机理、影响因素和系统特性;4)深入评估了PFAS结构(特别是链长和功能基团)对降解效率的影响;5)提出了三种AOPs/ARPs集成策略以应对PFAS污染。该综述为优化AOPs和ARPs提供了可行的见解,对推进PFAS修复技术发展具有重要意义。
全文速览
本研究全面评述了PFAS污染的现状、PFAS在环境介质中的分布特征以及PS-AOPs去除PFAS的研究进展,重点关注了主要影响因素和机理。研究发现:不同环境介质中PFAS的分布存在差异;PS-AOPs在降解和脱氟效率上略高于Sulfite-ARPs;PS-AOPs的活化模式显著影响PFAS的去除效率和机制;PFAS的结构特征以及系统参数是影响PS-AOPs去除效率的关键因素。文章最后指出了PS-AOPs技术工程化应用面临的挑战和未来研究展望。
图文导读
PFAS研究热点
Fig. 1 PFAS research hotspots. (a) Number of publications and research directions related to PFAS from 2000 to 2025; (b) VOS diagram of PFAS removal method (Web of science, theme word "PFAS removal", 708 relevant literature and 2643 keywords (95 keywords appeared more than 15 times)).
当前,全球范围内的PFAS研究主要集中在环境生态学、毒理学和职业公共健康影响等领域,而关于PFAS去除技术的研究仍相对不足。由于PFAS具有持久性、高毒性和化学稳定性等特性,开发有效的去除技术已成为环境治理领域的迫切需求。在现有技术中,过硫酸盐高级氧化工艺(PS-AOPs)因其强氧化能力和对持久性污染物的高效矿化特性,已成为应对PFAS污染的重要技术选择之一。
PFAS的全生命周期
Fig. 2 Full life cycle of PFAS.
PFAS主要来源于萤石开采,并通过工业废弃物及化工产品进入环境。长期的环境暴露可能导致多种重大健康问题。经过数十年的累积,PFAS在不同环境介质中已形成明显的分布规律:由于短链PFAS具有更高的水溶性和迁移性,它们在水环境中的浓度通常高于长链同类物。此外,相较于全氟烷基磺酸(PFSAs),全氟烷基羧酸(PFCAs)在地下水及地表水中均占据主导地位。
PS-AOPs VS Sulfite-ARPs
Fig. 3 (a, b) Comparison of degradation and defluorination rate of PFAS by AOPs and ARPs. (c, d) Comparison of degradation and defluorination efficiencies of PFAS by PS-AOPs and sulfite-ARPs.
对大量已发表研究的比较发现,仅基于去除率的比较得出Sulfite-ARPs更有效的结论并不完全准确。通过进一步比较单位时间内PS-AOPs和Sulfite-ARPs对不同PFAS的降解效率和脱氟效率,发现PS-AOPs的降解效率略高于Sulfite-ARPs。PS-AOPs的脱氟效率与Sulfite-ARPs没有显著差异。
链长与官能团的影响
Fig. 4 Calculated C-F BDEs (1-9), C-O BDEs (10-13) (a) and Calculated C-F BDEs (kcal/ mol) (b) of selected PFAS(Bentel et al., 2019; Bentel et al., 2020). (c) Contour surfaces of Fukui function (f0 for radical attack, and f+ for nucleophilic attack) for GenX, GenX-w and PFOA with isovalue of 0.01(Bao et al., 2018). (d) OBS molecular structure (Liu et al., 2022a). (e) Average local ionization energy, PFOA molecule, PFOA anion, PFOS molecule, PFOS anion (Lai et al., 2024).
在PS-AOPs体系中,长链PFAS通常表现出更高的降解倾向。这是因为随着链长的增加,C-F键的键解离能(BDE)降低,导致长链PFAS的反应速率常数更高,因而更易被去除。此外对于相同链长的PFAS,由于磺酸分子的电子密度远低于羧酸分子,PFSAs的a位C-F键BDE更低,这使得PFSAs比PFCAs更容易受到自由基攻击。
小结
本文详细讨论了PFAS污染的现状、PFAS在环境介质中的分布以及PS-AOPs去除PFAS的研究进展,重点关注了主要影响因素和机理。通过单位时间降解量(μmol/h)量化分析,证明PS-AOPs的整体效能与Sulfite-ARPs相当甚至更优。结合密度泛函理论(DFT)揭示了PFAS链长与官能团对C-F键解离能(BDE)的关键影响机制,为高效降解提供理论依据。面对PS-AOPs在实际应用中面临复杂环境基质的重大挑战,提出氧化-还原协同(AOPs/ARPs)策略,为工程化应用提供新的解决方案。
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