PFAS与纳米钯包覆微米零价铁（nPd/μZVI）的相互作用机制、性能及材料再利用研究

本研究针对全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染治理难题，系统探讨了纳米钯包覆微米零价铁（nPd/μZVI）与PFOA和PFOS的相互作用机制。研究发现在无氧条件下，PFAS主要通过吸附作用被去除，且在pH=4时nPd/μZVI可重复使用4-5次而不显著降低吸附效率，为PFAS污染治理提供了新的材料选择和技术思路。

　　

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类具有极高稳定性的合成化学品，自20世纪50年代以来被广泛应用于工业生产和消费品中。由于其强碳-氟键（C-F）的特性和化学稳定性，PFAS在自然环境中难以降解，已成为全球性的污染物。研究表明，PFAS具有生物累积性和潜在健康风险，国际癌症研究机构（IARC）已将全氟辛酸（PFOA）列为人类致癌物（1类），全氟辛烷磺酸（PFOS）列为可能致癌物（2B类）。在中国土壤中PFOS浓度高达778 mg/kg，美国消防泡沫污染场地中PFOS浓度可达460 mg/kg，如何有效治理PFAS污染已成为环境领域的重要挑战。

尽管已有多种PFAS处理技术被研究，但零价铁颗粒（ZVI）因其在氯化有机物还原降解中的有效性而备受关注。然而，PFAS的还原脱卤过程受到动力学限制，需要合适的催化剂。钯/零价铁双金属颗粒（Pd/ZVI）被研究用于PFAS的脱氟，但研究发现其主要通过吸附而非降解来去除PFAS。在此背景下，研究人员在《Science of The Total Environment》发表了关于纳米钯包覆微米零价铁（nPd/μZVI）与PFAS相互作用的研究，系统探讨了其作用机制、性能及材料再利用潜力。

研究采用批次实验方法，在无氧条件下（1-72小时，90°C）使用1克经超声处理（45 Hz）的nPd/μZVI浆液，PFAS浓度范围为9.29至485 mg/L，pH范围1-14。反应后收集水相样品，采用氟离子选择电极（F-ISE）测定氟离子含量，使用超高效液相色谱-质谱联用（UHPLC-MS）分析残留PFAS及潜在副产物。甲醇洗涤用于区分PFAS吸附与脱氟过程，并通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）对材料进行表征。

研究结果表明，PFAS通过表面络合和疏水相互作用在nPd/μZVI上发生吸附，是无氧电偶腐蚀（AGC-nPd/μZVI）驱动的主要去除机制。在pH=4条件下，线性吸附模型能很好地描述PFAS的去除过程，nPd/μZVI可重复使用4-5次而不会显著降低吸附效率。PFOS的吸附能力高于PFOA，磺酸头基比羧酸头基表现出更高的吸附能力，这归因于更强的疏水和静电相互作用以及更高的吸附能。碳氟链长度也影响吸附效率，PFOS（97%）> PFHxS（70%）> PFBS（55%）。

通过SEM/EDS和XRD分析发现，原始nPd/μZVI颗粒主要由Fe⁰和Pd⁰组成。经过8次循环使用后，材料中出现了针铁矿（α-FeOOH）和磁铁矿（Fe₃O₄），但Fe⁰仍然是主要相。材料性能的逐渐下降是由于在空气环境中洗涤和干燥过程中Fe^III氧氢氧化物的逐渐形成以及Pd纳米颗粒的团聚。

该研究证实了nPd/μZVI作为一种高效吸附材料在PFAS污染治理中的应用潜力，其操作浓度范围宽（9.29-485 mg/L），吸附速率快（1-3小时），再生简单（甲醇洗涤），可重复使用多次。虽然其吸附容量目前仍低于颗粒活性炭（GAC）和生物炭，但nPd/μZVI在材料成本、处理效率和再生便利性方面具有竞争优势，特别适合作为PFAS预处理和浓缩的前端工艺，为后续的高温高压降解或超声降解提供高浓度原料。

这项研究为PFAS污染治理提供了新的材料选择和技术思路，未来需要进一步优化材料性能、提高吸附容量、验证在实际水体中的应用效果，并进行技术经济评估，以推动该技术向实际应用转化。