废弃软木衍生季铵化多级孔活性炭高效吸附全氟/多氟烷基物质（PFAS）的机制与性能研究

针对全氟/多氟烷基物质（PFAS）污染治理难题，研究人员以废弃软木为原料，开发出具有多级孔结构和正电位表面的季铵化活性炭（CAC-N）。该材料对全氟辛酸（PFOA）展现出超高吸附容量（qm=828.74 mg/g）和快速动力学（k2=740.79 g/mg·min），在环境浓度（500 ng/L）下去除率达99.7%，残存量1.5 ng/L满足美国EPA 2024年饮用水标准。研究为PFAS治理提供了经济高效的吸附剂设计策略。

　　

全氟和多氟烷基物质（PFAS）被称为"永远的化学品"，因其极强的化学稳定性和生物累积性，即使痕量存在也会对生态环境和人类健康构成严重威胁。2024年美国环保署（EPA）将饮用水中全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的限值收紧至4 ng/L，这对现有水处理技术提出了严峻挑战。传统活性炭因孔隙结构单一和表面负电荷导致的静电排斥，难以有效吸附阴离子型PFAS。如何通过材料改性同时实现高效吸附和环境浓度下的深度净化，成为当前研究的关键瓶颈。

针对这一难题，中国科学院生态环境研究中心的研究团队创新性地利用废弃软木资源，开发出季铵化多级孔活性炭（CAC-N）。这种材料通过独特的孔结构设计和表面正电荷修饰，在吸附容量和动力学性能上实现重大突破，相关成果发表在《Resources, Conservation and Recycling》。研究采用热解-化学活化联用技术制备基底活性炭，通过季铵化反应引入带正电荷的官能团；运用扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和氮气吸脱附等技术表征材料结构；通过批量吸附实验和动态过滤测试评估性能；结合密度泛函理论（DFT）计算阐明吸附机制。

材料表征结果显示，软木天然的蜂窝状多面体细胞结构（约25 μm）经活化后转化为丰富的微孔-介孔多级孔网络，比表面积达892.6 m²/g。季铵化改性成功引入带正电的氮基团，使材料表面电位从-15.6 mV逆转为+32.4 mV。

吸附性能测试发现，CAC-N-0.02对PFOA的饱和吸附量达828.74 mg/g，是商用活性炭的20倍；在环境相关浓度（500 ng/L）下，60分钟内即可将PFOA降至1.5 ng/L，突破现有技术难以达到EPA标准的瓶颈。动态过滤实验中，1 g CAC-N可处理1500床体积的污染水，展现良好工程应用潜力。

机理研究揭示吸附过程受双重作用力驱动：带正电的季铵基团与PFOA羧酸根（-COO^-）的静电吸引，以及碳骨架与氟碳链（C-F）的疏水作用。DFT计算证实季铵基团与PFOA的吸附能（-58.2 kJ/mol）显著高于普通含氧基团。

该研究实现了废弃生物质的高值化利用和环境污染物治理的双赢，为开发新一代PFAS吸附材料提供了重要理论依据和技术支撑。其创新性主要体现在三方面：首次将软木独特的多级孔结构优势与季铵化改性相结合；首次系统验证材料在ng/L级浓度下的深度净化能力；通过多尺度表征阐明"孔道适配-静电捕获-疏水固定"的协同作用机制。这项技术有望在饮用水净化和工业废水处理领域产生重要影响，为应对全球PFAS污染挑战提供中国方案。