如何终结“永远的化学品”并消除PFAS污染

有争议的一类高氟化学品，即全氟烷基和多氟烷基物质(PFAS)，哪些是持久性和潜在毒性的，基本上已经成为地球生态系统的一个新组成部分。据估计，在大气、雨水、地表水、地下水甚至人体内，大约有8000种不同类型的PFAS，但现在技术的发展可以打破这个循环。

PFAS有一个含有多个碳氟键的碳主链，这些碳氟键非常强，使它们非常持久。这些化合物可以长达数百或也许甚至需要几千年才能打破下来¹这导致它们被媒体称为“永远的化学物质”。

自20世纪40年代以来，这些化学品已经在全球不同的行业中使用和制造。它们独特的特性意味着它们可以排斥油、油脂和水，以及作为润滑剂和抗高温。这些特性意味着它们被添加到从不粘锅具到雨衣、家具和消防泡沫的所有东西中。

然而，如果它们最终被填埋，PFAS会渗入地下水，然后排放到湖泊、溪流和湿地。在焚烧时，它们并不总是被摧毁，然后可以进入大气层。

不过，PFAS可以通过过滤技术从水中去除。最常见的是颗粒活性炭——一种高度多孔的材料，有很大的表面积，污染物可以附着在上面。许多PFAS是疏水的，所以它们倾向于粘附在碳表面，而不是留在水中。

其他用于处理PFAS的吸附剂技术包括离子交换树脂。反渗透也被用于提取这些化学物质，并使用压力迫使水通过PFAS无法通过的半透膜。

然而，这些分离技术产生了需要处理的废物流。美国环境保护署(EPA)等机构正在发布声明，这导致人们迫切需要找到销毁这些持久性化学品的方法饮用水中PFAS的安全标准要严格得多在万亿分之一的水平上。

他说，新的数据将迫使人们开发新技术，尤其是破坏性方法Michael Wong他是德克萨斯州莱斯大学化学和生物分子工程系的主任。一旦这些数字具有可执行性，物理方法就不再管用了。”

超临界的考虑

另一种著名的去除水中污染物的方法是超临界水氧化，这种方法已经被证明可以摧毁顽固的有害物质，如多氯联苯。

一旦水超过374°C和22.1MPa，就被认为是“超临界”。在这种状态下，液体和蒸汽之间的区别消失了，可以加速某些氧化过程。当向超临界水中加入氧化剂时，水可以氧化一系列有机污染物。今年早些时候，环保局表明超临界水氧化使总PFAS减少了99%以上包括全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)。²

现在，全球研发机构巴特尔已经将这项技术应用于开发它所谓的pfa歼灭者．它的水泵以超临界水氧化为动力，将受污染的水带入系统，在那里与氧化剂混合。这一过程可以破坏PFAS中的强C-F键，将其转化为惰性盐和二氧化碳。

巴特尔将其PFAS湮灭器安装在固定或移动单元中，可用于水修复。三年的测试表明，该系统持续消除了99%以上的PFAS。

今年2月，移动式PFAS歼灭器的现场测试证明，它每天可以处理超过2000升PFAS污染的液体。巴特尔现在正在建造一个更大的系统，每天可以处理22000升污水。

加州大学河滨分校化学与环境工程师金庸刘一直在研究利用光化学反应破坏PFAS的方法。今年早些时候，刘和同事报道称，在使用紫外线和亚硫酸盐的水处理反应堆中添加碘化物可破坏PFAS中90%的C-F键就在几个小时之内。^3.

这项工作建立在去年调查结果UV/亚硫酸盐处理前后的氧化处理可以破坏各种PFAS化学品中的大多数C-F键。⁴在这项新研究中，河滨大学的研究人员将碘化物放入UV/亚硫酸盐体系中，看看它是否能去除一种特别顽固的四碳PFAS，即全氟丁烷磺酸盐(PFBS)。碘化物加速了反应，并在24小时内完全去除PFBS。

UV/亚硫酸盐+碘化物体系也很容易降解其他长链PFAS，如PFOA和PFOS——这两种化合物研究得最好，它们与免疫系统损伤、心血管损伤和癌症等健康问题有关．

电子束和钻石

文卡特桑Arjun他是纽约石溪大学的环境化学家和工程师，正在研究另一个类似的系统。他的团队也使用电子束(电子束)技术成功降解了包括短链化合物在内的各种PFAS与美国能源部位于伊利诺伊州的费米加速器国家实验室合作。⁵强大的电子束导致水的放射性分解，产生可以氧化和还原PFAS的物质。几十年来，这项技术一直被认为是一种有效的水处理工具，但它确实需要一个高耗能的加速器。

“有趣的是，我们发现，与短链化合物相比，我们更容易分解长链PFAS化合物，”Venkatesan说。他说，这可能是因为碳- f键能随着链长减少而增加。“如果使用PFAS的高浓度水体积有限，那么电子束可能是分解它们的最佳方式。”

与此同时,苏珊娜威特他是密歇根州中西部弗劳恩霍夫中心的一名电化学家，发现电化学降解硼掺杂金刚石(BDD)电极可以成功地处理pfas污染的水．⁶这一过程目前正在实验室进行测试，将PFAS转化为二氧化碳和氟化物。

金刚石通常是一种不良导体，但在其结构中引入硼可以使电流通过这种材料，从而破坏C-F键。“我们正在让电子流动，PFAS分子将到达BDD电极的表面，失去电子或被氧化，”Witt解释道。她的实验表明，该技术通常在大约8小时内实现总PFAS降解约90%。

与此同时，戴安娜Aga他是纽约布法罗大学的环境和分析化学家，她正在与她所在机构和匹兹堡大学的同事合作，开发与PFAS反应的催化碳金属纳米材料．他们还试图将这些催化材料与微生物结合起来，这些微生物会吃掉产生的化合物。

Aga和她的团队使用了功能化的氧化石墨烯以及铁或锰，并发现它们部分地将PFAS降解为更可生物降解的形式。Aga解释说:“我们正试图将这些全氟化碳转化为部分氟化碳，然后将它们喂给微生物，从而完成降解过程。”

她的一个队友也在模拟可以分解PFAS产品的酶。Aga补充道:“如果我们能识别出这些酶，那么我们就能找到产生这些酶的微生物，然后我们就能找出最有可能破坏PFAS的细菌联盟。”

现在还处于早期阶段，但我们有理由充满希望。“我们研究的一些细菌已经被证明可以降解碳-氯键，比如四氯乙烯地下水污染物。”虽然C-F键更强，Aga和她的同事们希望能够破坏C-Cl键的微生物也能降解C-F键。

设计正确的酶

两家美国公司也联合起来设计生物解决方案来分解PFAS -以太生物机器和Allonnia．该合作伙伴关系的目标是开发可以从土壤、地下水和饮用水中去除PFAS的酶。

Allonnia的首席执行官妮可·理查兹解释说:“当我们弄清楚这一点时，这将是第一种可以就地降解PFAS的技术——目前你必须等待被污染的土壤进入地下水，然后再处理地下水，这并不理想。”作为一名受过培训的化学工程师，她指出，目前的土壤PFAS修复技术既昂贵又低效，目前还没有一种具有成本效益的方法来处理被PFAS污染的地下水。

Aether首席执行官帕夫勒·耶雷米奇(Pavle Jeremic)拥有生物分子工程背景，他回忆说，当他的团队不断发现似乎能使各种化合物脱氯的酶时，他感到很惊讶。他解释说:“我们没有预料到这种情况会发生，但我们的许多化学库中都有卤素附着——有溴、氟、氯——我们不断看到这种其他人不知道的氟化物酶的存在模式。”

Allonnia本月早些时候宣布的该公司发现了一种蛋白质，可以检测水样中PFAS的含量，精确到万亿分之一，并且该领域可部署的PFAS生物传感器的专利正在申请中。该公司希望在今年年底前在现场测试这项技术。

与此同时，Allonnia也正在将其新的表面活性泡沫分馏技术推向市场，该技术可以分离和浓缩PFAS化合物，并使其在受污染的水中低于可检测的限度。现在，该公司与以太公司在生物降解解决方案上的合作旨在补充这些努力。

理查兹说:“我们正在从整体和部署的角度来看待它，如果需要一种底盘生物来植入酶，我们也会开发它。必威体育 红利账户．“但是，以太公司正在研究的是一种独特的酶，它可以去除全氟化合物的氟，这是一个非常困难的步骤。”

以太正在针对大量PFAS化合物筛选不同设计和天然酶。耶雷米奇说，我们有一些令人兴奋的结果，但我暂时不会说出来，因为它们还需要经过层层验证。他指出，他的公司有望在今年年底之前交付一种对PFOA和PFOS起作用的酶。

“全员出动”

其他有望清理PFAS的材料包括金属有机框架(MOFs)——一类具有超高孔隙率的结晶材料。由莱斯大学的Wong领导的团队发现，当你在一个MOF中设计纳米大小的孔时，它从污染水中吸收全氟辛烷磺酸的速度比基准材料快、活性炭。这种经过改造的纳米材料还含有更多的全氟辛烷磺酸。⁷

Wong说:“我们的打孔化学反应产生了足够大的纳米孔，这也导致了更大的表面积。”氮气吸附数据还揭示了有多少额外的表面积被创造出来。结合高容量和快速吸附动力学，新材料有效地去除长链和短链全氟烷基磺酸盐。

专家们一致认为，解决全球PFAS污染问题需要“全员参与”的方法。许多人提倡一种“处理方案”方法，包括结合技术，例如从溶液中去除PFAS的方法，以及可以集中处理更小体积这些浓缩化学品的破坏性工具。

但重大障碍仍然存在，迫切需要更多的技术开发，因为所有可用的和新兴的技术都被打上了问号。也就是说，目前尚不清楚它们是否完全消除了这些有害分子，还有转化产物需要识别。

目前，没有足够的技术来确保科学家们正在创造的治疗PFAS的方法不会无意中把它们变成其他有毒的东西。几十年前，随着毒性和生物积累数据的增长，行业逐步淘汰了PFOS和PFOA等传统的长链PFAS。然而，作为替代品而产生的短链类似物与它们的前身在水中具有相似的溶解度、流动性和持久性，有些甚至显示出类似的毒性。在某些方面，它们更难被摧毁。

但在过去的一两年里，该领域的技术发展和成熟的速度显著加快。巴特尔环境商业业务主管丹•朗布雷克(Dan Longbrake)表示:“这些技术都将在市场上找到自己的空间。必威体育 红利账户．他补充说，我们的经营原则是水涨船高。“我们对与其他技术提供商合作非常感兴趣，因为我们相信我们都可以互相帮助，改善和解决PFAS问题。”