利用具有停止-流动操作特性的非对称膜电容去离子技术有效去除和富集全氟烷基物质（PFAS）

《Water Research X》：Effective removal and concentration of perfluoroalkyl substances (PFAS) using asymmetric membrane capacitive deionization with stop–flow operation

PFAS污染治理中，非对称膜电容去离子（ACDI）系统通过优化操作模式（如停流-连续流切换）和参数（电压1.2-1.5V、流速1-5mL/min、脱附时间15-60min），实现短链PFAS（如TFA、PFBA）的高效吸附与浓缩。实验表明，停流模式可使PFAS浓缩因子提升1.4-6.15倍，但能耗显著增加。在模拟半导体废水（含高浓度竞争离子和有机物）中，ACDI仍能保持TFA的高吸附能力（0.022μmol/g）和浓缩效果（CF=1.98），但对PFBA的去除受干扰物质影响较大（CF=1.11）。系统在低浓度（10-50μg/L）下即可运行，但需结合预浓缩步骤应对实际废水中的超低浓度（ppt级）。研究为复杂基质中PFAS处理提供了新思路，需平衡能耗与浓缩效率。

　　在当今水处理技术日益受到关注的背景下，含全氟烷基物质（PFAS）的水体污染问题已经成为一个亟需解决的全球性环境挑战。PFAS因其化学稳定性、两亲性以及难以降解的特性，广泛存在于地下水、地表水、废水乃至饮用水中，对人类健康和生态系统构成了潜在威胁。因此，开发高效、经济且可持续的PFAS去除和浓缩技术成为关键课题。本文探讨了一种新型的非对称膜电容去离子（ACDI）系统在PFAS处理中的应用潜力，重点分析了其在不同操作条件下的吸附与浓缩性能，并评估了其在实际废水处理中的适用性。

### 非对称膜电容去离子系统的优势

传统的电容去离子（CDI）技术通常采用对称结构，即在正负电极两侧各设置一个离子交换膜（AEM和CEM）。然而，这种结构在PFAS的去除过程中存在一定的局限性，例如，AEM可能会阻碍某些PFAS的迁移，导致吸附效率降低。为此，研究团队提出了一种非对称膜电容去离子系统（ACDI），通过移除AEM，仅保留CEM，从而改善PFAS的传输效率和吸附能力。该系统的核心在于其独特的电极结构和操作模式，使得PFAS能够更有效地被吸附并从废水中浓缩出来。

在实验中，研究团队使用了活性炭、碳黑和聚四氟乙烯（PTFE）作为电极材料，并通过滚压成型制成厚度约为0.2毫米的电极片。这些电极片在真空干燥后被加工成直径为20毫米的圆形电极，并在外部安装了石墨电流收集器以确保良好的电接触。同时，为了实现均匀的流体流动，研究者在电极、电流收集器和CEM之间插入了厚度约为100微米的尼龙间隔件。这种结构设计不仅提高了系统的吸附效率，还优化了电荷分布，从而增强了PFAS的去除能力。

### 操作模式对PFAS去除和浓缩的影响

在ACDI系统中，操作模式的选择对PFAS的去除和浓缩效果具有显著影响。研究者通过对比连续流和停流两种操作模式，发现停流模式在提高浓缩因子方面表现更为优异。在连续流模式下，PFAS在电极上的吸附能力约为8.29 mg/g，而停流模式下的吸附能力则高达32.52 mg/g。这种差异主要归因于停流模式下，PFAS在静止电解液中的停留时间延长，使得其更容易被浓缩并从系统中分离出来。

此外，研究还发现，在停流模式下，电荷密度在电极表面显著增加，达到1.65 mA/g，比连续流模式下的0.34 mA/g高出五倍以上。这一现象表明，停流模式通过增加电解液的停留时间，降低了溶液电阻，从而提高了电流密度和吸附效率。然而，停流模式的高电流密度也带来了更高的能量消耗，使得总能耗从连续流模式的32.8 Wh/g上升至50.7 Wh/g。因此，停流模式虽然在浓缩效率方面具有明显优势，但其较高的能耗可能成为实际应用中的一个制约因素。

### 初始浓度对ACDI性能的影响

在PFAS的去除和浓缩过程中，初始浓度是一个关键参数。研究者通过改变PFBA的初始浓度（10、30和50 μg/L）来评估ACDI系统的吸附能力和浓缩效率。结果显示，随着初始浓度的增加，PFBA的吸附能力显著提高，从0.015 μmol/g增加到0.045 μmol/g。这一趋势与PFAS浓度升高导致溶液导电性增强有关，从而提高了离子在电极表面的传输效率。

然而，初始浓度的增加对浓缩因子（CF）的影响却呈现相反的趋势。在30 μg/L的初始浓度下，CF达到1.27，但在10 μg/L和50 μg/L的条件下，CF分别下降至1.57和1.23。这表明，在高浓度条件下，由于浓缩时间有限，PFAS的释放和积累可能受到限制，从而降低了CF。因此，研究团队建议，在实际应用中应根据废水的具体情况，调整浓缩时间以实现最佳的PFAS去除效果。

### 应用电压对ACDI性能的影响

应用电压是影响ACDI系统性能的另一个重要因素。研究者测试了0.8 V、1.0 V、1.2 V和1.5 V四种电压条件下的PFBA去除效果。结果显示，随着电压的升高，PFBA的吸附能力逐步增加，从0.024 μmol/g上升至0.069 μmol/g。这表明，较高的电压能够增强电极表面的电场强度，从而促进PFAS的吸附和浓缩。

然而，电压的增加也伴随着能量消耗的上升。在1.0 V条件下，总能耗仅为45.3 Wh/g，而在1.5 V条件下，总能耗达到354.6 Wh/g。这说明，尽管高电压能够显著提高PFAS的去除效率，但其带来的高能耗可能限制其在实际中的广泛应用。因此，研究团队认为，选择适当的电压范围，可以在吸附效率和能耗之间取得平衡，以满足不同应用场景的需求。

### 流速对ACDI性能的影响

流速是影响ACDI系统性能的另一个关键操作参数。研究者测试了1 mL/min、2 mL/min和5 mL/min三种流速下的PFBA去除效果。结果表明，随着流速的增加，PFBA的吸附能力显著提高，从0.001 μmol/g上升至0.08 μmol/g。这主要归因于流速的提高促进了离子在电极表面的传输，从而增强了吸附效率。

与此同时，流速的增加也显著降低了系统的总能耗。在1 mL/min的条件下，总能耗达到308.2 Wh/g，而在5 mL/min的条件下，总能耗降至27.9 Wh/g。这一趋势表明，较高的流速能够减少系统内部的电阻，提高离子的传输效率，从而降低能耗。然而，流速的增加对浓缩因子（CF）的影响较小，CF仅从1.1增加至1.34。因此，流速的调整应在吸附效率和能耗之间找到平衡，以实现最佳的PFAS去除效果。

### 浓缩时间对ACDI性能的影响

浓缩时间是影响ACDI系统浓缩因子（CF）的关键因素。研究者测试了15 min、30 min、45 min和60 min四种浓缩时间条件下的PFBA去除效果。结果显示，随着浓缩时间的延长，CF显著提高，从1.27增加至6.15。这表明，延长浓缩时间能够促进PFAS在静止电解液中的积累，从而提高其浓缩效率。

然而，浓缩时间的延长也带来了更高的能量消耗。在15 min的浓缩时间内，总能耗为104.6 Wh/g，而在60 min的条件下，总能耗上升至354.6 Wh/g。因此，浓缩时间的调整需要结合实际应用场景，以确保在满足浓缩需求的同时，不会造成不必要的能源浪费。

### ACDI系统在模拟半导体废水中的表现

为了评估ACDI系统在复杂废水环境中的适用性，研究者使用了模拟半导体废水作为测试对象。这种废水含有大量竞争性离子（如Na?、K?、SO?2?和Cl?）以及有机物质，使得PFAS的去除和浓缩变得更加困难。实验结果显示，ACDI系统在模拟半导体废水中对TFA的去除效果优于PFBA，TFA的吸附能力达到0.022 μmol/g，而PFBA的吸附能力仅为0.12 nmol/g。这表明，TFA在竞争性离子和有机物质存在的情况下，仍能保持较高的吸附能力，而PFBA则受到较大干扰。

此外，模拟废水中的浓缩因子（CF）也显示出类似的趋势。TFA的CF达到1.98，而PFBA的CF仅为1.11。这一结果进一步验证了ACDI系统在处理复杂废水时的适应性，特别是在去除短链PFAS方面表现出色。然而，对于长链PFAS的去除效果仍然有限，因此在实际应用中可能需要结合其他处理技术以提高整体去除效率。

### ACDI系统的电化学稳定性

为了评估ACDI系统在长期运行中的稳定性，研究者进行了循环测试，使用1,000 mg/L的PFBA溶液和10 mA/cm2的电流密度，测试了150次循环后的性能变化。结果显示，电极在150次循环后仍能保持约87%的初始电荷容量，表明系统具有良好的电化学稳定性。此外，库仑效率始终保持在99%以上，进一步验证了ACDI系统在实际应用中的可靠性。

### 实际应用中的考虑因素

在实际应用中，ACDI系统的表现受到多种因素的影响，包括初始浓度、应用电压、流速和浓缩时间等。对于含PFAS的超低浓度水体（如ppb级），由于溶液电阻和质量传输的限制，ACDI系统的吸附和浓缩效率可能较低，同时能耗较高。因此，研究团队建议，在实际应用中应优先考虑对PFAS进行预浓缩处理，使其浓度提升至ppb以上，以确保ACDI系统的高效运行。

### 结论与展望

综上所述，ACDI系统在PFAS的去除和浓缩方面展现出良好的性能，尤其是在处理短链PFAS时。其独特的非对称膜设计和操作模式使得PFAS能够更有效地被吸附和浓缩，同时在模拟半导体废水中也表现出较强的适应能力。然而，对于长链PFAS的去除效果仍需进一步优化，可能需要与其他处理技术相结合以提高整体处理效率。

未来的研究应重点关注如何优化ACDI系统的操作参数，以在不同应用场景下的吸附效率、浓缩性能和能耗之间找到最佳平衡点。此外，探索ACDI与其他处理技术（如电化学氧化、等离子处理或紫外降解）的集成应用，将进一步拓展其在复杂废水处理中的适用范围。通过不断改进和优化，ACDI有望成为一种高效、经济且可持续的PFAS去除技术，为水环境保护和可持续水资源管理提供有力支持。