商用树脂的氟改性处理，用于去除超短链和短链全氟和多氟烷基物质（PFAS）

《ACS ES&T Water》：Fluorous Modification of Commercial Resins for Ultrashort and Short Chain PFAS Removal

氟化改性商业离子交换树脂可显著提升超短链PFAS吸附容量与选择性，OC-C4-0.5树脂在72小时内保持>98%的TFA吸附效率，并适应复杂水质条件。

　　近年来，短链和超短链全氟和多氟烷基物质（PFAS）因其在环境中的扩散性以及潜在的健康风险，成为全球关注的新兴污染物。这类化合物主要由碳链长度小于或等于3（超短链）和小于或等于6（短链）的全氟烷基羧酸（PFCAs）组成。与传统研究较多的长链PFAS相比，短链和超短链PFAS因其更强的电荷相互作用和较低的疏水/疏油性，表现出更高的环境迁移能力，从而更难被现有的水处理技术有效去除。因此，开发高效、可持续的去除方法对于保障水质和公众健康至关重要。

在水处理领域，吸附是一种广受认可的污染治理手段，因其成本效益高且易于与现有基础设施兼容。然而，传统吸附材料如活性炭（AC）和阴离子交换树脂（AER）主要依赖于疏水性和静电相互作用，这些机制对长链PFAS具有一定的效果，但对短链和超短链PFAS的吸附能力有限。此外，短链PFAS容易受到环境中常见无机离子的竞争，导致其去除效率下降。因此，研究者们正在寻找新的吸附材料，以克服这些挑战并实现对短链PFAS的高效捕获。

针对这一问题，本研究提出了一种创新的吸附材料改性方法，首次将“氟效应”（fluorous effect）引入商用阴离子交换树脂。氟效应是一种基于氟原子之间强且选择性的相互作用，促使分子自我聚集。这一特性在短链PFAS的去除中具有独特优势，因为它能够与吸附材料形成特定的结合机制，从而提高其捕获能力。本研究通过一种简便的一步法改性策略，成功地将可调节的氟功能基团引入商用树脂，生成一系列氟化树脂材料。通过系统的材料表征，研究团队验证了改性过程的成功，并进一步评估了氟效应对短链PFAS吸附能力的影响。

实验结果表明，经过氟化处理的树脂在去除短链PFAS方面表现出显著的性能提升。其中，特别值得注意的是改性树脂OC-C4-0.5，在72小时内对三氟乙酸（TFA）的保留率超过了98%，其去除能力相比原始树脂（OC Unmod）提升了近五倍。这种改性策略不仅提高了树脂对TFA的吸附效率，还在其他短链PFAS的去除中展现了良好的效果。同时，研究还发现，随着氟化程度的增加，树脂的疏水性也相应增强，从而在高盐度和复杂水环境条件下，表现出更高的稳定性。然而，过高的氟化程度反而可能导致吸附能力的下降，这可能是由于树脂表面的疏水性过于强烈，从而限制了与水分子的相互作用。

为了进一步验证这一发现，研究团队还对多种环境条件下的PFAS去除效果进行了评估。在存在天然有机质（NOM）的情况下，所有树脂均显示出对短链PFAS的高效去除，其中OC-C4-0.5表现出最稳定的性能。此外，在高盐度（10 mM NaCl）条件下，OC-C4-0.5对PFPrA和PFBA的去除能力显著优于原始树脂，这可能与其较强的氟效应和电荷相互作用有关。然而，对于TFA的去除，由于其较强的电荷相互作用和较低的氟效应，研究发现其去除效率受到一定影响。这表明，不同链长的PFAS对吸附材料的响应机制存在差异，需要针对性地进行材料优化。

在不同pH值条件下，研究团队发现，尽管pH的变化会影响树脂表面的电荷状态，但OC-C4-0.5在所有pH条件下均表现出较高的PFAS去除效率，尤其是在酸性和碱性环境中。这种稳定性可能是由于其结合了氟效应与电荷相互作用，从而在多种条件下都能维持高效的吸附能力。相比之下，原始树脂在pH变化时表现出一定的性能波动，说明其吸附机制更依赖于特定的pH环境。

此外，研究还探讨了改性树脂的再生能力。在经过多次再生处理后，OC-C4-0.5仍然能够保持较高的PFAS去除效率，尤其是对PFPeA和PFHxA的去除率变化较小。然而，对于短链PFAS如TFA和PFPrA，其去除效率在再生过程中有所下降，这可能与再生溶液的碱性环境改变了树脂表面的电荷状态有关。尽管如此，改性树脂的再生性能仍优于原始树脂，表明其具有良好的重复使用潜力。

本研究通过系统性的实验设计和数据分析，揭示了氟效应在短链PFAS去除中的关键作用。实验结果不仅为短链PFAS的吸附行为提供了重要的参考数据，还为未来开发高效的水处理技术奠定了基础。尽管当前研究仍存在一些局限，例如对TFA的定量分析在高盐度环境中面临挑战，以及氟化材料的长期稳定性仍需进一步验证，但这些发现表明，通过优化氟化程度和吸附机制的协同作用，可以显著提高短链PFAS的去除效率。

本研究的创新点在于首次将氟效应应用于商用阴离子交换树脂，从而实现对短链PFAS的有效捕获。这一方法的可行性得到了实验验证，并且其改性策略具有高度的可重复性和可扩展性。通过调整氟化程度和树脂结构，可以进一步优化吸附性能，使其适应不同的水处理需求。此外，研究还表明，氟效应与电荷相互作用的结合可以显著提升短链PFAS的去除能力，为未来的环境治理技术提供了新的思路。

总的来说，本研究不仅为短链PFAS的去除提供了有效的解决方案，还揭示了氟效应在吸附材料设计中的重要性。通过将这一效应与传统的吸附机制相结合，可以开发出更加高效和稳定的水处理材料。未来的研究可以进一步探索如何优化氟化程度以实现最佳吸附效果，并评估这些材料在实际水处理系统中的应用潜力。此外，还需要关注氟化材料的环境影响，以确保其在实际应用中的可持续性和安全性。