综述：用于PFAS修复的氟化多孔材料：氟亲和性作为核心设计原则

《Journal of Fluorine Chemistry》：Fluorinated porous materials for PFAS remediation: fluoroaffinity as a central design principle

全氟烷基酸（PFAS）污染治理中，氟化多孔材料（FPMs）通过氟-氟相互作用、疏水性和静电作用实现高效吸附，其设计以氟亲和力为核心原理，显著优于传统活性炭和离子交换树脂。本文系统分析了FPMs的结构性能关系，提出量化阈值及再生、成本等工程化考量，为下一代选择性吸附材料开发提供理论指导。

　　

亚瑟·艾哈迈德

沙特阿拉伯法哈德·本·苏丹大学可再生能源工程系

摘要

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类广泛的合成有机氟化合物，迄今为止已鉴定出超过10,000种结构。其中，只有少数水溶性化合物，特别是全氟烷基酸（PFAAs）和全氟醚羧酸（PFECAs，例如GenX），与吸附式水处理和废水处理相关。这些化合物中的许多具有高度持久性，某些子类会在生物体内积累，并且一些子类已被证实与不良健康和生态效应有关。传统的吸附剂如颗粒活性炭（GAC）、离子交换树脂（IER）和膜对短链和超短链PFAS的去除效率较低，这凸显了开发下一代解决方案的必要性。

本文综述了氟化多孔材料（FPMs）作为具有吸引力的新型吸附剂的作用，并强调了它们利用氟-氟（F···F）相互作用、疏水性亲和力和静电力的独特能力。与传统吸附剂相比，FPMs在去除短链和超短链PFAS方面表现出更优越的性能。我们将氟亲和力不仅仅视为一种简单的相互作用，而是一种将PFAS的持久性与吸附剂设计联系起来的统一设计原则。本文探讨了结构与性能之间的关系、定量阈值以及应用指标，同时考虑了规模化、可再生性、技术经济性和法规因素。通过将机制理解与实际应用相结合，本文从设计角度重新审视了可溶性PFAS的修复方法，为下一代选择性捕获材料的发展提供了指导。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一大类合成有机氟化学品，根据经合组织（OECD）[1]的数据，包含超过10,000种不同类型。PFAS的特点是碳链部分或完全氟化，这赋予了它们卓越的化学稳定性、疏水性和疏脂性。虽然这些特性对工业和消费应用非常有利，但也导致许多PFAS在环境中长期存在。然而，需要注意的是，并非所有PFAS都具有相同的性质或风险。例如，某些子类（如全氟烷基酸（PFAAs）具有高度持久性、生物可利用性，并且与不良健康和环境影响有关，而其他子类（如某些高分子量聚合物PFAS）的移动性和生物可利用性较低。

尽管已经鉴定出数千种PFAS，但只有少数具有足够的水溶性，可以用于吸附式水处理过程。这些包括全氟烷基羧酸（PFCAs）和全氟烷基磺酸（PFSAs），以及全氟醚羧酸（PFECAs），如六氟丙烯氧化物二聚酸（GenX）。最近关于PFAS在废水中的存在和转化的综述[2]、[3]、[4]强调了这一区别，并概述了影响修复策略的法规和环境框架。大量的毒理学和流行病学研究将水溶性PFAS的暴露与不良健康效应联系起来，凸显了其全球性的关注。随着人们对PFAS潜在风险的认识日益增加，监管机构（包括美国环境保护署（EPA）[5]和欧洲化学品管理局（ECHA）[6]）采取了更加严格的措施，尽管必须强调并非所有PFAS都具有生物可利用性或危险性。

本文重点讨论水中的可溶性PFAS和废水中的PFAS，不涉及空气、土壤或沉积物中的PFAS污染。术语的使用遵循OECD 2021 [1]和Buck等人[7]的标准。监管机构还采用了更为分类化的持久性分类标准。例如，在欧盟REACH框架下，如果物质的半衰期超过特定阈值，则被认定为持久性（P）或非常持久性（vP）；美国EPA也采取了类似的预防性立场。实际上，通常假设碳链长度C ≥ 4的PFAS符合P或vP标准，除非有相反的证据。在本综述中，“PFAS”作为一个通用术语使用，并在可能的情况下指明具体子类；短链PFAS（PFCAs，C5–C7；PFSAs，C4–C6）和超短链PFAS（< />

近年来，发表了多项关于PFAS修复的研究，其中一些研究考虑了氟化学和氟亲和力的作用。尽管这些研究提供了有关处理技术的宝贵知识，但大多数研究仅将氟亲和力视为多种机制之一。本文则提供了不同的视角和范围，特别将可溶性PFAS的修复置于氟化学和氟亲和力的机制背景下。没有一种技术能够同时从水中去除聚合物和非聚合物PFAS；因此，本文主要关注可溶性PFAS——尤其是PFAAs和PFECAs——在这些物质中吸附作用最为显著。通过将PFAS持久性的分子基础（即C–F键强度、疏水性氟碳链、F···F相互作用）与氟化多孔吸附剂的合理设计相结合，我们超越了简单的材料目录编制，将氟亲和力确立为一种指导性设计原则。本文介绍了结构与性能之间的关系、吸附剂的定量比较，以及对可扩展性、技术经济可行性和法规因素（例如欧盟对氟聚合物的潜在限制[8]）的批判性评估。这种基于第一性原理的视角补充了之前的研究，为下一代材料的发展提供了可行的见解。

PFAS的性质和环境影响

了解PFAS的物理和化学性质对于评估环境保护和健康风险、开发有效的检测方法、设计修复策略以及制定法规和政策决策至关重要。

传统的PFAS去除技术

水和废水的传统处理方法包括颗粒活性炭（GAC）、离子交换树脂（IER）以及压力驱动的膜处理技术，如反渗透（RO）和纳滤（NF）。由于其低成本和操作简便性，GAC仍被广泛使用。然而，它的去除效果主要针对长链PFAS（如PFOA、PFOS），对于短链PFAS的去除效果较差，通常需要频繁更换介质或进行热再生。

PFAS去除的机制原理

氟化多孔材料在从水中去除PFAS方面的有效性取决于多种吸附机制的复杂相互作用。理解这些机制对于合理设计和优化FPMs至关重要。本节讨论了促进PFAS吸附的主要作用力和相互作用，特别强调了氟亲和力的战略作用。

FPMs应用的限制、挑战和未来可能性

尽管在实验室规模上的结果令人鼓舞，但由于成本、可扩展性、在复杂介质中的稳定性、再生和使用寿命后的处理问题以及整体技术经济性和法规可行性等方面的限制，FPMs在水和废水处理中的应用仍然受到限制。下一小节将探讨这些限制及可行的实施途径。 金属有机框架具有较大的表面积和模块化化学结构，但容易吸湿并在溶液中发生坍塌。即使添加了氟化连接剂，

结论与展望

本文全面评估了氟化多孔材料（FPMs）在去除水和废水中的全氟烷基酸（PFAAs）方面的最新进展。特别是，我们讨论了静电作用、疏水力和亲氟基团对PFAA吸附的贡献，基于氟亲和力和氟化学的视角。此外，我们还提出了实现选择性和提高耐久性的结构设计方法。

资金声明

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织提供的任何特定资助。

作者贡献声明

亚瑟·艾哈迈德： 数据验证。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢法哈德·本·苏丹大学（FBSU）的支持。