澳洲昆大團隊研發新型聚合物吸附劑，短時間內實現超99%氟化汙染物去除

近日，澳州昆士蘭大學張承教授和團隊，設計出一種基於含氟聚合物（PFPE-IEX+）的吸附劑，它可以有效去除水中的全氟/多氟烷基化合物（PFAS，Per- and poly-fluoroalkyl substances）。

實驗中，含氟聚合物柱子能夠處理超過 13 升以上的飲用水，幾乎沒有任何 PFAS 泄漏。同時，其能在較短時間內實現 99% 以上的 PFAS 去除率。

本次材料不僅在去除多種類型的 PFAS 時展現出極高的去除效率，並能顯著提升吸附容量，同時這種吸附劑還具備長效使用和輕鬆再生的潛力。

為了驗證該材料的實際效果，課題組設計了一種基於含氟聚合物的連續柱裝置，借此發展這種裝置在飲用水和垃圾填埋滲濾液等複雜水體環境中展現出卓越的吸附性能。

在經過連續運行和多次再生後，含氟聚合物柱子能在不出現吸附穿透的情況下，持續有效地去除水中的 PFAS。相比之下，當使用活性炭柱子處理相同水體時，其去除效率遠低於含氟聚合物柱子。

通過這項研究，他們不僅展示了 PFPE-IEX+ 材料的優異性能，還證明了其在連續水處理系統中的應用潛力。

總的來說，這種基於柱子的處理方式可以為大規模 PFAS 汙染治理提供可持續的有效解決方案，進一步推動 PFAS 汙染問題的解決。

預計它將至少帶來六方面的應用：

其一，用於飲用水淨化。

鑒於 PFAS 帶來的水源汙染問題，飲用水的安全性備受關注。而本次材料可以高效去除 PFAS，故能被廣泛用於飲用水處理設備，確保水中的 PFAS 含量達到安全標準。

其二，用於家庭水過濾器。

隨著公眾對飲用水安全的關注日益增加，本次材料還能讓家庭水過濾設備更有效地去除自來水中的 PFAS。

其三，用於工業廢水處理。

化工、製藥和電子製造等行業會產生含有 PFAS 的廢水。而本次材料能被用於工業廢水處理系統之中，幫助工廠既高效又經濟地去除廢水中的 PFAS。

其四，用於垃圾填埋滲濾液處理。

垃圾填埋場滲濾液通常含有高濃度的 PFAS，這會對土壤和地下水構成潛在的汙染威脅。而本次材料也能用於垃圾填埋場的滲濾液處理系統，從而保護周邊的環境生態。

其五，用於應急處理和環境修復。

在一些突發的化學泄漏或汙染事故中，PFAS 汙染可能會對當地水體和生態系統造成急性威脅。而本次材料可被用於便攜式應急處理設備，從而快速淨化受汙染的水源，盡快減少汙染擴散。

其六，用於 PFAS 汙染監控與治理。

對於政府和環保組織來說，它們可以將本次技術作為一種長期監控和治理 PFAS 汙染的手段。在需要持續監測的場景中，基於本次技術的系統可以長期穩定地運行，從而能夠有效地控制汙染擴散，並能進行數據收集，進而為環境政策製定帶來支持。

未來幾年內，隨著技術的進一步優化和成本的降低，研究人員相信 PFPE-IEX+ 有望成為處理 PFAS 汙染的主流解決方案之一。

據研究人員介紹，PFAS 已被廣泛用於許多工業產品中，但隨之也帶來一種全球性的汙染源。

PFAS 的化學性質非常穩定，當採用傳統的水處理技術來處理短鏈 PFAS 時，效果往往不理想。

此外，現有技術比如活性炭和離子交換樹脂，它們在吸附容量、吸附效率和再生方面存在明顯不足，難以有效應對日益嚴峻的 PFAS 汙染問題。

因此，該團隊希望開發一種既能高效吸附、又能可再生的吸附材料，從而以快速的、有選擇性的方式，從受汙染的水源中去除多種 PFAS。

如前所述，該團隊使用含氟聚合物（PFPE-IEX+）作為基礎材料，設計出了本次吸附劑材料，並證明其具有高親氟性和吸附能力。

期間，他們合成了含有氟聚醚鏈段的聚合物，並通過化學修飾的方法，使其具備選擇性地吸附 PFAS 的能力。

同時，課題組通過優化聚合物的結構，確保它既能在短時間內捕獲多種 PFAS，又具有良好的穩定性和可再生性。

合成材料之後，則要對其結構和性能進行表徵。期間，他們利用核磁共振、傅里葉紅外光譜等技術確認了本次材料的化學結構，並通過掃瞄電子顯微鏡觀察其形態。

同時，他們還評估了本次材料在不同環境條件下的穩定性，確保其在酸性水體和堿性水體中都能保持較高的吸附效率。

在確定材料的基本結構之後，他們開始測試它對於 PFAS 的吸附性能。

實驗室中，該團隊模擬了不同汙染條件下的水體，測試了本次材料對於多種 PFAS（包括長鏈和短鏈 PFAS）的去除效果。

後又通過一系列的實驗，課題組測試了該材料的再生性能，發現它能通過簡單的溶劑洗滌實現多次重覆使用，並在多輪再生之後仍能保持較高的吸附效率，這說明其具備較好的經濟性和可持續性。

而為了驗證本次材料在實際應用中的潛力，他們進一步設計了基於該材料的柱式處理系統，並測試了其在連續水處理中的表現。

當將該系統用於處理飲用水和垃圾填埋場滲濾液時，實驗結果顯示基於 PFPE-IEX+ 的柱子在多輪處理和再生後，依然能夠保持高效去除率。

至此，PFAS 吸附材料的開發工作終於完成。

圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）

澳州昆士蘭大學博士生楊卓景是第一作者，張承擔任通訊作者。

雖然本次材料在實驗室和實際環境中的表現非常優秀，但在推廣應用時，還需要進一步降低生產成本，並探索更環保的替代方案。

未來，他們將進一步推動該吸附材料的實際應用，並解決當前研究中的一些未解問題。

首先，其將致力於降低材料生產成本。

比如可以通過優化合成工藝和降低生產成本，來使材料更加經濟適用。此外，他們還計劃探索更環保的替代材料，以減少生產過程中對環境的潛在影響。

其次，其將致力於擴大實際應用測試範圍。

目前的實驗主要集中在實驗室條件下以及特定的水體環境中進行。下一步，他們計劃將該材料用於更廣泛的水處理場景中，包括用於更多類型的地下水、工業廢水和生活污水等。通過實際環境中的長期測試，將能進一步驗證材料的穩定性、經濟性和再生能力。

再次，其將致力於與 PFAS 破壞技術加以結合。

雖然吸附技術可以有效去除水中的 PFAS，但如何徹底銷毀這些被吸附的 PFAS 仍然是一個挑戰。因此，他們計劃將本次吸附技術與現有的 PFAS 破壞技術（如高溫裂解、電化學降解等）結合，開發出一個集 PFAS 捕獲和銷毀於一體的綜合處理方案。這不僅將能高效去除 PFAS，還能徹底解決其在環境中的積累問題。

最後，其將致力於持續監測與長期應用。

為了確保該材料在長期使用中的效果和穩定性，他們計劃進行持續的監測和數據收集，特別是監測其在大規模應用中的表現。通過這些數據，將能評估材料的使用壽命、再生週期和處理效率，從而不斷地迭代本次技術。

參考資料：

1.Yang, Z., Zhu, Y., Tan, X. et al. Fluoropolymer sorbent for efficient and selective capturing of per- and polyfluorinated compounds. Nat Commun 15, 8269 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52690-y

排版：初嘉實