综述：重新定义“永久”：共价有机框架在永久性化学品修复中的进展、挑战与机遇

本综述系统探讨了共价有机框架（COFs）在高效去除全氟烷基物质（PFAS）方面的突破性进展。文章聚焦COFs材料的结构可调性、高选择性吸附机制（疏水/氟亲和/静电/氢键相互作用），并指出其在复合材料和连续流处理系统中的集成潜力，为开发可持续水处理技术提供了关键见解。

　　

研究背景与意义

全氟和多氟烷基物质（Per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS）因其极强的化学稳定性和生物累积性，被广泛称为“永久性化学品”。这类物质广泛存在于消防泡沫、不粘涂层和防水材料中，并通过工业排放污染水体，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统吸附剂如活性炭和离子交换树脂对低浓度PFAS的去除效率有限，且缺乏选择性，亟需开发新型高效吸附材料。

COFs的材料优势

共价有机框架（Covalent Organic Frameworks, COFs）是一类由轻质元素通过强共价键连接形成的晶态多孔材料，具有高比表面积、可调节的孔径和易于功能化的特点。其规整的孔道结构为PFAS分子提供了理想的吸附位点，而通过前体设计和合成后修饰，可精确调控孔道环境（如疏水性、电负性）以增强对PFAS的亲和力。

关键吸附机制

COFs去除PFAS的核心机制涵盖多重分子间相互作用：

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  疏水作用：PFAS的长氟碳链与COFs的疏水骨架通过疏水效应结合；
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  氟-氟相互作用（Fluorophilic Interaction）：COFs中引入的含氟基团与PFAS的-CF₂-/-CF₃基团产生特异性识别；
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  静电作用：带正电的COFs（如胺功能化COFs）与阴离子型PFAS（如PFOA、PFOS）发生离子交换；
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  氢键作用：COFs中的极性基团（如-OH、-NH₂）与PFAS的羧酸或磺酸基团形成氢键网络。

结构优化策略

研究显示，孔径大小是影响PFAS扩散速率和吸附容量的关键因素。理想孔径（1.5–2.5 nm）可同时容纳多个PFAS分子并促进传质。此外，减小COFs颗粒尺寸能暴露更多活性位点，提升吸附动力学。例如，纳米级COFs复合材料在连续流实验中显示出接近100%的PFAS去除率。

实际应用场景

COFs可通过以下形式集成到水处理系统中：

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  复合吸附剂：与磁性纳米粒子结合实现快速分离再生；
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  混合基质膜：将COFs分散于聚合物基质中制备高通量过滤膜；
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  固定床吸附柱：用于大规模水处理厂的前端净化单元。

挑战与未来方向

尽管实验室研究成效显著，COFs的实际应用仍面临三大挑战：

1. 1.
   大规模合成成本高且结晶度难以控制；
2. 2.
   在复杂水体背景（如有机质、离子竞争）中的吸附选择性下降；
3. 3.
   长期化学/机械稳定性不足。
   未来研究需聚焦于绿色合成路线开发、构效关系机器学习预测、以及在实际污染场景中的中试验证，以推动COFs从材料创新走向工程化应用。

总结展望

COFs凭借其可设计的孔隙化学和多样化的相互作用机制，为PF污染治理提供了革命性解决方案。通过跨学科合作（材料科学、环境工程、健康医学），COFs基吸附剂有望成为下一代水处理技术的核心材料，为实现全球水资源安全提供关键技术支撑。