使用颗粒活性炭（GAC）、粉末活性炭（PAC）和球磨胶体活性炭从水溶液中吸附去除全氟和多氟烷基物质（PFAS）：研究其效率、动力学及作用机制

《ACS ES&T Water》：Adsorptive Removal of PFAS from Aqueous Solutions Using GAC, PAC and Ball-Milled Colloidal Activated Carbon: Characterizing Efficiency, Kinetics, and Mechanisms

本研究通过球磨法制备了 colloidal 活性炭（CAC_BM），并与常规活性炭（GAC、PAC）对比，评估其对长链（PFOA、PFOS）和短链（PFBA、PFBS）PFAS的吸附性能。实验表明，CAC_BM 因粒径减小（d50=0.318 μm）、比表面积增大（968.59 m2/g）及表面酸性增强（含更多羧基和酚羟基），对PFAS吸附效率显著提升，尤其是PFOS和PFOA去除率达89%和73%。吸附动力学显示伪二阶模型更优，速率常数高于GAC，表明球磨增强扩散速率。环境因素中，pH影响短链PFAS（如PFBA在pH 3时去除率最高），而离子强度（如NaCl）和有机质（HA）竞争抑制短链PFAS吸附。吸附机制涉及范德华力、静电作用及氢键，其中长链PFAS主要依赖疏水作用，短链PFAS依赖静电作用。研究证实CAC_BM在有限接触时间（1小时）下表现优异，为地下水原位修复提供了新思路。

　　PFAS，即全氟和多氟烷基物质，是一类广泛应用于工业和商业领域的合成化学物质。它们因其独特的化学性质，如高热稳定性、疏水性和对降解的抵抗力而被广泛使用。然而，这些特性也使PFAS在自然环境中具有极强的持久性，导致其在土壤、地下水和地表水中广泛污染。PFAS对环境和人类健康构成了显著威胁，因其可能引起免疫系统损伤、内分泌干扰和致癌效应等。特别是长链PFAS，如全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS），长期以来一直是环境和监管讨论的焦点。然而，随着许多长链PFAS的逐步淘汰，短链PFAS如全氟丁酸（PFBA）和全氟丁烷磺酸（PFBS）的生产和环境存在增加。尽管短链PFAS的生物累积性较低，但其较高的移动性和对传统处理技术的难以去除性，使它们成为环境修复的新挑战。

为了应对PFAS污染问题，吸附技术因其简单性和对多种PFAS的广泛适用性而被广泛采用。活性炭（AC）是常用的吸附剂，其高比表面积、疏水性和通过范德华力、疏水相互作用和静电吸引等方式吸附有机污染物的能力使其成为PFAS去除的重要工具。然而，活性炭的性能因物理形态不同而显著变化，例如颗粒活性炭（GAC）、粉末活性炭（PAC）和胶体活性炭（CAC）。在这些形态中，球磨法等物理改性技术被用于增强活性炭的吸附性能。球磨法不仅减小了活性炭的颗粒尺寸，还通过机械破碎暴露了原本难以接触的内部孔隙，并引入了表面缺陷和边缘暴露，从而提高了PFAS的吸附能力。这种改进不仅增加了比表面积，还缩短了扩散路径，使PFAS更易于接触吸附位点，提高吸附效率。

在本研究中，通过简单的球磨过程，从常见的颗粒活性炭（GAC）中制备了球磨胶体活性炭（CAC_BM）。研究的主要目标包括评估CAC_BM对长链和短链PFAS的去除效果，分析球磨过程对活性炭表面性质和吸附能力的影响，评估环境因素如离子强度、天然有机质（NOM）和pH值对CAC_BM去除PFAS行为的影响，以及探讨PFAS与CAC_BM表面相互作用的吸附机制。研究发现，CAC_BM在去除长链PFAS方面表现出显著优势，其去除效率达到89%（PFOS）和73%（PFOA），而短链PFAS的去除效率相对较低，分别为55%（PFBS）和30%（PFBA）。这些结果表明，长链PFAS与活性炭的相互作用主要依赖于疏水性，而短链PFAS则更倾向于通过静电相互作用与活性炭表面结合。

研究还分析了吸附动力学和等温吸附模型，以更好地理解PFAS在CAC_BM上的吸附机制。实验数据表明，伪一阶模型能够描述所有PFAS的吸附趋势，但伪二阶模型提供了更好的拟合，这表明内部扩散是吸附过程中的速率限制步骤。等温吸附研究显示，PFAS的吸附行为与Freundlich模型高度一致，表明吸附过程具有多层特性。此外，通过竞争吸附实验，研究揭示了PFAS分子之间存在分层的吸附模式，其中短链PFAS更容易被长链PFAS竞争吸附位点。这些发现对于优化PFAS污染水体的处理策略具有重要意义，特别是在处理高浓度PFAS的场地，如受含水泡沫（AFFF）影响的场地、膜浓缩液和工业废水等。

在环境因素的影响方面，研究发现离子强度对PFAS的吸附行为有显著影响。在较高离子强度下，长链PFAS的吸附效率略有提高，这可能与“盐析”效应和电双层压缩有关，从而减少排斥性静电相互作用并促进疏水性分区。然而，短链PFAS的吸附效率则显著下降，这表明它们的吸附更依赖于静电相互作用，而这种相互作用在高离子强度下受到抑制。天然有机质（NOM）如腐殖酸的存在也会影响PFAS的吸附，其可能通过竞争吸附位点或改变活性炭表面化学性质，降低PFAS的吸附效率。

研究还利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了CAC_BM在吸附PFAS过程中的相互作用机制。FTIR结果表明，PFAS的吸附涉及多种机制，包括疏水性相互作用、静电相互作用和氢键形成。活性炭表面的芳香结构（如C═C伸缩振动峰）与PFAS的氟化烷基链发生疏水性相互作用，而C–O伸缩振动峰则表明活性炭表面的含氧官能团（如羟基）与PFAS的极性头基团发生静电相互作用。此外，O–H伸缩振动峰的变化进一步支持了氢键在PFAS吸附中的作用。

总体而言，本研究提供了关于球磨胶体活性炭（CAC_BM）在PFAS去除中的应用潜力的重要信息。研究发现，CAC_BM在比表面积、颗粒尺寸和孔隙结构方面优于传统的GAC和PAC，使其在去除长链PFAS方面表现出更高的效率。此外，CAC_BM在去除短链PFAS方面也显示出一定的能力，尽管其效果不如长链PFAS显著。研究还强调了环境因素对PFAS吸附行为的影响，指出在实际应用中需要考虑这些因素以优化处理效果。

尽管CAC_BM表现出良好的吸附性能，但其在实际应用中的表现仍需进一步研究。例如，需要评估CAC_BM在不同地质条件下的迁移特性，因为细颗粒可能因聚集而限制其在地下水中的分布。此外，研究还指出，进一步探索其他类型的CAC材料将有助于提升PFAS去除技术的通用性和效率。同时，球磨过程在实验室条件下的优化结果可能需要在工业规模上进行验证，以评估其能耗和可行性。生命周期评估将有助于确定这些改进是否能在实际应用中实现可持续性。

本研究的结果为PFAS污染治理提供了重要的理论支持和实践指导。通过对比不同形态活性炭的吸附性能，研究揭示了球磨技术在提高PFAS去除效率方面的潜力。同时，对环境因素和竞争吸附机制的分析有助于优化吸附过程，提高其在实际环境中的适用性。未来的研究应进一步探索CAC_BM在复杂环境条件下的表现，并开发更高效、更环保的制备方法。这些努力将有助于推动PFAS污染治理技术的发展，为环境保护和人类健康提供更有效的解决方案。