综述：芬顿反应对全氟和多氟烷基物质（PFASs）的降解

《Environmental Science: Advances》：Degradation of per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) by Fenton reactions

PFASs作为持久性有机污染物，因其强C-F键和生物累积性对环境和健康构成威胁。本文系统综述了基于Fenton反应的PFAS处理技术，包括化学Fenton、电Fenton、光Fenton及太阳能光电-Fenton系统，重点分析其降解机制、效率影响因素及技术瓶颈。化学Fenton通过多自由基协同（如·OH、·Cl、SO?·?）提升降解效率，电Fenton利用电催化循环增强Fe2?/Fe3?再生，光Fenton依赖紫外/可见光驱动自由基生成，而太阳能光电-Fenton结合光解和电化学实现更可持续的降解。研究指出，催化剂设计（如Fe/Ni共掺杂、MOF@碳材料）、反应器结构优化（如微纳孔道限制反应物扩散）及多技术耦合（如Fenton与吸附/膜分离联用）是突破效率瓶颈的关键。未来需关注低浓度PFAS处理、多环种降解及规模化应用。

　　PFASs，即全氟烷基物质和多氟烷基物质，是一类广泛存在于工业和消费品中的合成化学品。这些物质因其热稳定性和化学稳定性而被广泛使用，但它们的环境降解困难、生物累积性和与严重健康影响的关联，引起了全球范围内的关注。传统的去除方法如吸附和过滤虽然在某些情况下可以使用，但这些方法无法彻底破坏PFASs，反而可能导致二次污染。Fenton反应及其衍生技术，如电Fenton、光Fenton和太阳能光电Fenton（SPEF），为PFASs的彻底矿化提供了新的可能性。这些高级氧化工艺（AOPs）能够通过生成高活性的自由基，如羟基自由基（˙OH）和硫酸根自由基（SO₄^?），实现对PFASs的有效降解。Fenton反应的基本原理是利用Fe²⁺作为催化剂，将过氧化氢（H₂O₂）分解为羟基自由基，从而引发一系列氧化反应，最终将污染物矿化为二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）。

然而，Fenton反应也面临一些挑战。例如，其对C–F键的断裂效率较低，矿化程度不足，这限制了其在实际废水处理中的应用。此外，Fenton反应通常需要酸性环境（pH 2.0–4.0）才能达到最佳效果，而大多数废水的pH值并不在此范围内，这需要额外的化学试剂来调节pH，增加了处理成本。为了克服这些局限，研究人员开发了多种增强Fenton反应的方法，包括多自由基协同降解、自由基反应性的增强以及自由基介导的相分离。这些方法通过优化催化剂设计和反应条件，显著提高了PFASs的降解效率。

在多自由基协同降解方面，研究者发现，通过引入其他自由基，如硫酸根自由基和超氧自由基（O₂^?），可以显著提升PFASs的降解效果。例如，零价铁（ZVI）与过硫酸盐（PS）的协同作用，使得PFASs的降解率显著提高。同时，通过引入不同的催化剂材料，如铁/镍掺杂的碳气凝胶（Fe_xNiC）和铁/钴纳米结构催化剂（Co-CN₂-Fe₂O₃），可以实现更高效的自由基生成和反应。这些催化剂不仅提高了反应效率，还通过优化反应条件，如pH值和电流密度，实现了对PFASs的高效降解。

在自由基反应性的增强方面，研究人员开发了具有高比表面积和特殊结构的催化剂，如Pb掺杂的BiFeO₃/还原氧化石墨烯（rGO）复合材料和Fe₃O₄@Co₃O₄基质。这些材料通过增加活性位点和优化电子传输路径，提高了自由基的生成效率和反应速率。此外，通过引入纳米材料和微孔结构，可以增强反应物与催化剂之间的接触，从而提高PFASs的降解效率。

自由基介导的相分离策略则通过将PFASs从水相转移到固相，从而减少其在水中的残留。例如，利用羟基自由基对腐殖酸（HA）进行氧化修饰，可以促进PFASs与HA的结合，从而实现相分离。这种方法不仅提高了PFASs的去除效率，还减少了对环境的二次污染。

电Fenton反应系统则通过电催化作用，直接氧化PFASs并生成羟基自由基，从而提高降解效率。电Fenton系统的优势在于能够实现自由基的原位生成，减少对外部过氧化氢的依赖。同时，电Fenton系统可以优化Fe²⁺/Fe³⁺的氧化还原循环，从而提高催化剂的稳定性和循环使用性。然而，电Fenton系统仍然面临高能耗和电极材料耐久性不足的问题。

光Fenton反应系统则利用光能驱动Fenton反应，从而降低能耗并提高反应效率。光Fenton系统可以使用可见光或太阳光作为能源，这使得其在实际应用中更具可行性。通过引入光催化剂，如二氧化钛（TiO₂）和还原氧化石墨烯（rGO）的复合材料，可以提高光能的利用率并促进自由基的生成。然而，光Fenton系统仍然面临对特定波长的依赖性和对复杂废水处理能力不足的问题。

太阳能光电Fenton（SPEF）系统则结合了光Fenton和电Fenton的优势，利用太阳能作为能源来源，同时通过电催化作用生成过氧化氢，从而实现PFASs的高效降解。SPEF系统的优势在于其绿色和可持续性，能够减少对外部化学试剂的依赖并降低能耗。然而，SPEF系统的开发仍然面临催化剂设计和材料选择的挑战，需要进一步优化以提高其在实际应用中的可行性。

未来的研究方向应集中在催化剂设计优化、结构-活性关系的深入研究以及大规模应用的可行性评估。此外，还需要进一步探讨不同PFASs的降解路径和产物的毒性，以确保降解过程的安全性和可持续性。同时，随着PFASs的种类和结构日益复杂，开发更加高效和通用的降解技术显得尤为重要。这些技术需要在实验室和实际应用之间架起桥梁，通过系统的研究和创新，实现对PFASs的全面和高效治理。