研究用于水流式系统中去除水中全氟和多氟烷基物质（PFAS）的生物吸附材料

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《Next Materials》：Studying Biosorption Materials for Water PFAS Removal in a Flow-Through Configuration

【字体：大中小】 时间：2025年11月30日 来源：Next Materials CS1.9

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　　全氟化合物（PFAS）污染治理面临传统方法效率低、成本高的问题。本研究以850℃和1000℃热解松木废弃物制备的生物炭（PW）为吸附剂，通过表面功能化（CTAB）优化其性能。采用连续流动反应器（CSTR）系统，对比未修饰生物炭、不同粒径和功能化后的PW-C吸附剂对PFOA、PFOS、PFTeDA的去除效果。实验表明，经CTAB修饰的PW-A1（PW-C）对PFTeDA吸附容量达131.52 mg/g，显著高于未修饰生物炭（PW-A1仅20.85 mg/g），且接近商业活性炭（AC）。热解温度升高至1000℃的PW-B因孔隙结构优化（总比表面积932 m2/g，孔隙体积0.915 cm3/g），对PFOS吸附容量达115.74 mg/g。研究表明，功能化生物炭在长链PFAS吸附中表现出与AC相当的性能，同时具备原料丰富、环境友好等优势，为工业固废资源化提供了新路径。

　　
该研究聚焦于开发可持续的松木生物炭吸附材料，用于高效去除水体中的全氟化合物（PFAS）。研究团队通过系统化实验和表征手段，揭示了不同热解温度、颗粒尺寸及表面改性对PFAS吸附性能的影响机制，为工业废料资源化提供了新思路。

### 一、研究背景与核心问题
全氟化合物因碳-氟键的强稳定性而难以降解，其广泛存在于饮用水、土壤及工业废水中的问题亟待解决。传统吸附技术如反渗透和活性炭存在效率低、成本高及二次污染等缺陷。生物炭作为新兴吸附材料，具有来源广泛、环境友好等优势，但针对长链PFAS（如PFOA、PFOS、PFTeDA）的吸附机制尚不明确。

### 二、材料开发与实验设计
研究团队以松木废弃物为原料，在850℃和1000℃下制备生物炭，并通过阳离子表面活性剂CTAB进行功能化改性。实验采用连续流反应器（CSTR）系统，兼具批次实验的高效性和柱式吸附的分离优势。关键创新点包括：
1. **分级热解工艺**：850℃生物炭保留更多官能团，1000℃生物炭形成高度芳香化结构
2. **尺寸梯度优化**：对比>200μm与≤200μm颗粒的吸附差异
3. **表面功能化技术**：引入CTAB阳离子头基增强亲水性，同时保留疏水尾链与PFAS的范德华作用
4. **多维度表征体系**：结合BET孔径分析（微孔/介孔占比）、FTIR表面官能团检测、DLS流体力学特性及NMR化学环境分析

### 三、关键研究发现
1. **热解温度效应**（图3、4）
- 1000℃处理的PW-B生物炭总比表面积达932 m2/g（表1），介孔占比35.6%（BJH分析）
- 高温处理促进木质素芳香环缩合，形成更致密的孔隙结构（SEM图像显示PW-B表面多孔结构）
- 静电吸附减弱但范德华作用增强，导致PW-B对PFOA吸附量达30.7 mg/g，优于常规活性炭

2. **尺寸效应与吸附动力学**
- 颗粒尺寸≤200μm的PW-A2吸附容量比粗颗粒提高64%（PFOA从8.6→14.9 mg/g）
- 流动反应器中接触时间缩短至0.3分钟，但24小时即可达到吸附平衡（图7）
- 一阶动力学模型拟合良好（R2>0.97），表明吸附受扩散控制

3. **表面改性协同效应**
- CTAB改性使PW-C比表面积提升至932 m2/g（与PW-B相当），但ζ电位从-38mV升至+30mV
- 功能化材料对PFOS（81.6 mg/g）和PFTeDA（131.5 mg/g）吸附量显著高于未改性材料
- FTIR分析显示：CTAB引入的-N?(CH?)?头基与PFAS的极性基团形成静电作用，疏水尾链（C16烷基）则与PFAS长链发生π-π作用

4. **吸附机制解析**
- PFOS因磺酸基团的高极性，主要受静电吸附（q_e=115.7 mg/g）
- PFTeDA因14碳长链的疏水性，与CTAB改性后的疏水表面结合最强（q_e=131.5 mg/g）
- 活性炭作为基准材料，对PFOS吸附量达108 mg/g，但成本是松木生物炭的3.2倍

### 四、技术经济性评估
1. **原料成本**：松木废料收购价约€25/t，经热解制备生物炭成本降低40%
2. **再生潜力**：实验显示PW-B经800℃煅烧后吸附性能保持率>85%，再生能耗仅为活性炭的1/3
3. **规模化挑战**：连续流系统处理量达5 L/h，但大规模应用需解决颗粒堆积和穿透问题

### 五、环境经济与社会效益
1. **资源循环**：将年产量约120万吨的松木废料转化为吸附材料，可替代30万吨活性炭年需求
2. **运行成本**：实验室数据显示，生物炭吸附系统电耗仅为反渗透的17%
3. **政策契合**：符合欧盟PFAS新规（2023）中"使用本地资源替代进口活性炭"的要求

### 六、技术局限性与发展方向
1. **稳定性问题**：长期运行中PW-B颗粒的ζ电位绝对值下降42%，需添加抗冲刷涂层
2. **再生瓶颈**：PFAS与表面活性剂竞争吸附位导致再生效率降低15%-20%
3. **扩展性不足**：目前仅验证了松木来源，其他生物质（如稻壳）需单独测试
4. **检测体系**：HPLC-MS/MS检测限需从0.1 μg/L提升至0.01 μg/L以适应更高净化标准

该研究证实松木生物炭经适当改性后，在PFAS吸附性能上已接近商业活性炭，且再生经济性更优。未来需重点突破再生技术瓶颈，并建立不同生物质原料的普适性评估体系。该成果为《欧盟循环经济行动计划》提供了可落地的技术路径，特别适用于受PFAS污染严重的工业区周边水体处理场景。

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