综述：用于修复全氟和多氟烷基化合物的水凝胶/气凝胶吸附剂的机理洞察与设计策略

《ACS Environmental Au》：Mechanistic Insights and Design Strategies for Hydrogel/Aerogel Sorbents in Remediation of Per- and Polyfluoroalkyl Substances

PFAS污染治理中，水凝胶/气凝胶因其高孔隙率、可调化学特性及再生能力成为新兴吸附剂。本文系统评述了无机/碳基复合凝胶（如TiO?量子点负载硅基气凝胶）、合成聚合物基凝胶（如PEGDA修饰型）、离子氟化凝胶（IF-X?）及生物聚合物复合凝胶（如壳聚糖/ Alginate）对PFAS的吸附机制（离子/水解离/氟-氟作用）、性能优化策略（表面修饰、掺杂催化剂）及再生难题。研究显示，优化后的IF-20?凝胶对GenX吸附容量达278 mg/g，ALGPEI-3气凝胶总吸附量达12133 mg/g。但规模化应用受限于再生成本高（需混合溶剂）、生物降解性差（碳链结构稳定）及环境干扰因素（NOMs/无机盐竞争吸附位）等挑战。建议结合生命周期评估与多准则决策模型推进技术转化。

　　PFAS（全氟和多氟烷基物质）因其独特的化学和物理性质，长期以来被广泛应用于多个工业领域。这些化合物因其强C–F键而具有出色的水、油、污渍和土壤的疏水性，以及良好的热稳定性和化学稳定性。这种特性使得PFAS在环境中的持久性极强，因此被称为“永久化学物质”。PFAS的广泛应用导致了其在全球范围内的严重污染，尤其是在水体中，这引发了对其环境影响和健康风险的广泛关注。

随着PFAS污染问题的加剧，科学家们开始探索多种技术来去除这些污染物。其中，吸附技术因其成本效益高、操作简便以及对不同种类PFAS的高效去除能力，成为了研究的重点。近年来，随着材料科学的发展，具有高孔隙率、可调节化学性质和良好再生能力的水凝胶和气凝胶被发现是去除PFAS的高效吸附材料。特别是水凝胶，因其高度多孔的结构和易于功能化修饰的特性，被广泛研究用于去除PFAS。水凝胶的吸附能力不仅取决于其物理结构，还受到溶液pH值、背景离子浓度、PFAS浓度以及温度等环境因素的影响。

为了提升PFAS去除效率，研究者们尝试了多种方法，包括使用不同的交联剂、共聚单体、无机和有机添加剂，以及表面功能化技术。例如，通过引入氨基、氟化基团或其他官能团，可以增强水凝胶与PFAS分子之间的相互作用。此外，通过调整水凝胶的组成和结构，研究者们还开发了具有特殊性能的复合材料，如将无机材料（如二氧化钛、铜纳米颗粒）或碳材料（如活性炭、石墨烯）与水凝胶结合，以提高其吸附容量和选择性。这些材料在不同pH值、温度和离子浓度条件下表现出不同的吸附行为，例如，在酸性条件下，由于电荷相互作用的增强，水凝胶对PFAS的吸附能力通常会提高。

在实际应用中，PFAS的去除不仅依赖于吸附能力，还涉及复杂的吸附机制，包括离子交换、疏水作用、氢键作用以及氟-氟（F–F）相互作用。这些机制的协同作用使得水凝胶和气凝胶在去除PFAS时表现出较高的效率。然而，尽管实验室研究显示了这些材料的优异性能，但在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，如何在不破坏其结构和功能的前提下实现高效再生，以及如何在大规模应用中降低能耗和成本，都是当前研究的重点。

此外，自然有机物质（NOMs）和不同种类的无机盐在实际水体中可能会影响PFAS的去除效率。这些背景物质可能会与水凝胶表面的吸附位点竞争，从而降低PFAS的吸附能力。特别是当水体中存在高浓度的背景离子时，它们可能会通过双电层压缩效应（即屏蔽效应）削弱PFAS与水凝胶之间的相互作用。因此，研究者们需要在设计水凝胶时考虑这些复杂因素，并通过优化材料结构和表面化学性质来提高其在真实环境中的适用性。

从经济和环境角度来看，目前许多水凝胶和气凝胶的制备过程仍存在较高的能耗和复杂的步骤，这限制了它们的大规模应用。例如，一些气凝胶的制备需要使用冷冻干燥或超临界干燥技术，这些过程不仅成本高昂，还可能对环境造成一定影响。因此，未来的研究应致力于开发更环保、成本更低的合成方法，并探索其在整个生命周期中的可持续性。通过生命周期成本分析（LCA）和环境影响评估，可以更全面地了解这些材料的生态足迹，并为它们的商业化提供科学依据。

尽管面临诸多挑战，水凝胶和气凝胶在PFAS去除领域仍然展现出巨大的潜力。它们不仅能够高效吸附不同链长的PFAS，还具备良好的再生能力和重复使用性。此外，一些新型的离子型氟凝胶和热敏水凝胶被提出，这些材料能够通过改变温度或pH值来实现PFAS的释放，从而减少对化学试剂的依赖。例如，热敏水凝胶在温度变化时可以发生相变，从而实现对PFAS的可控去除和再生。这种特性使得热敏水凝胶成为一种有前景的吸附材料，尤其适用于需要频繁再生的水处理系统。

总的来说，水凝胶和气凝胶作为PFAS去除的吸附材料，具有多方面的优势，包括高比表面积、可调节的化学性质以及良好的再生能力。然而，要实现其在实际水处理中的广泛应用，还需要进一步解决吸附选择性、再生效率和大规模生产等问题。未来的研究应结合材料设计、工艺优化和环境评估，推动这些材料从实验室走向实际应用。此外，开发更加经济、环保的吸附材料，并探索其在不同水体条件下的适用性，将是提升PFAS去除效率的关键方向。