海藻酸钙包覆钙铁双金属复合生物炭微球对短链PFAS的协同吸附-降解机制研究

针对短链全氟和多氟烷基物质(PFAS)环境治理难题，本研究创新性地以柚子皮和玉米秸秆为原料制备海藻酸钙包覆钙铁双金属生物炭微球(CA/Ca-Fe/BC)，通过静电作用、离子交换与铁基团还原/高级氧化(·OH、·O2-)的协同机制，实现对PFHxA(68.91 mg/g)、PFBS和PFBA的高效去除(最高62.65%)，为短链PFAS治理提供经济环保的新型解决方案。

　　

随着全氟和多氟烷基物质(PFAS)在工业和消费品中的广泛应用，这类"永久化学品"造成的环境污染日益严峻。尽管长链PFAS如全氟辛酸(PFOA)已被逐步禁用，但短链PFAS(如PFBA、PFBS、PFHxA)因其更强的水溶性和迁移性，成为更难治理的环境顽疾。传统吸附材料对短链PFAS的捕获能力普遍不足，且存在吸附速率慢、易解吸等问题。更棘手的是，短链PFAS的碳氟键(C-F)异常稳定，常规降解技术难以有效破坏其分子结构。面对这一环境治理领域的"卡脖子"难题，开发兼具高效吸附和降解功能的双功能材料迫在眉睫。

在这项发表于《Environmental Research》的研究中，来自江苏高校优势学科建设工程(PAPD)项目团队的研究人员另辟蹊径，从农业废弃物资源化利用角度出发，选取具有天然多孔结构的柚子皮和高含碳量的玉米秸秆(2:1混合)作为前驱体，创新性地构建了海藻酸钙(CA)包覆的钙铁双金属改性生物炭微球(CA/Ca-Fe/BC)。这种"以废治污"的设计不仅实现了农业废弃物的高值化利用，更通过材料组分的巧妙协同，将吸附与降解功能集于一身。研究证实，该材料对典型短链PFAS的去除效率显著优于现有吸附剂，其中对PFHxA的去除率高达62.65%，吸附容量达到68.91 mg/g，为解决短链PFAS污染提供了突破性方案。

研究团队采用多学科交叉的研究方法：通过SEM-EDS联用技术表征材料的形貌与元素分布；利用FTIR和XPS解析表面官能团演变；结合zeta电位分析阐明界面相互作用；采用间歇吸附实验和动力学模型拟合揭示去除机制；最后通过再生实验评估材料的循环利用性能。

【材料表征】
表征结果显示，铁改性使生物炭比表面积提升至487.35 m²/g，钙铁双金属以Fe⁰/Fe²⁺和CaCO₃晶体形式均匀分布。海藻酸钙包覆不仅解决了纳米铁易迁移难题，其丰富的羧基(-COOH)还提供了额外吸附位点，形成"外壳吸附-内核降解"的协同结构。

【吸附动力学】
准二级动力学模型拟合(R²>0.98)表明化学吸附占主导，40分钟内即达吸附平衡。离子强度实验证实静电相互作用是关键机制，而pH=3时质子化的羧基与PFAS阴离子产生最强静电吸引。

【降解机制】
XPS证实Fe²⁺/Fe³⁺循环促进了·OH自由基生成，Ca²⁺的引入加速了电子转移。降解产物分析显示短链PFAS的C-F键被逐步断裂为F^-和小分子羧酸。

【再生性能】
经5次甲醇洗脱-再生循环后，材料仍保持83.7%的初始吸附容量，磁分离特性使其便于回收利用。

这项研究的意义在于：首次阐明海藻酸钙包覆策略对铁改性生物炭稳定性的提升机制；创新性地利用Ca²⁺的电子传递作用强化铁基高级氧化过程；建立的"吸附-降解"协同模型为其他难降解污染物治理提供了新范式。特别是将农业废弃物转化为高附加值环境功能材料，兼具经济效益与生态价值，为短链PFAS污染治理提供了可规模化的解决方案。正如通讯作者Zhenhua Zhao强调的，这种"以废治毒"的策略完美诠释了可持续发展理念，在环境污染治理与资源循环利用领域展现出广阔应用前景。