《Frontiers in Environmental Science》：PFAS removal by ultrasound irradiation: pathways, chemistry and operation
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本综述系统阐述了利用超声波（US）辐照降解水体中全氟和多氟烷基物质（PFAS）的技术。文章聚焦于超声波引发的空化效应（包括声物理与声化学效应）对PFAS的协同矿化作用，详细分析了PFAS初始浓度、化学结构（如链长、官能团）、溶液化学（pH、温度、添加剂）及操作参数（频率、功率密度、流速）对降解效率的影响，并探讨了与吸附、电化学等其他技术的联用策略，旨在推动该技术在实际PFAS污染修复中的应用。
超声波（US）辐照作为一种有前景的破坏性技术，能够有效降解并矿化水环境中的全氟和多氟烷基物质（PFAS）。其核心机理在于超声波在液体介质中传播时产生的空化效应。当声波能量足够高时，液体中会产生微米至纳米尺度的空化气泡，这些气泡经历生长并最终剧烈坍塌。气泡坍塌的瞬间，会在局部产生极端的高温（可达5000–10000 K）和高压（可达60000 atm），伴随产生微射流、冲击波等声物理效应，以及热解和自由基反应等声化学效应。
PFAS的降解机制
PFAS的降解始于其在空化气泡气-水界面的吸附。PFAS分子具有两亲性，其疏水的全氟烷基尾端倾向于伸入气泡的气相，而亲水的头基则留在液相。当气泡坍塌时，界面处的高温会导致PFAS头基发生热解断裂，对于全氟烷基磺酸（PFSAs）会产生SO42–，对于全氟烷基羧酸（PFCAs）则会产生CO2。断裂下来的全氟烷基链可能直接在气泡内部通过热解/等离子体反应完全降解，也可能释放到液体主体中，经过缩短后形成链长更短的PFAS（如PFOA降解为全氟庚酸PFHpA），并再次吸附到新的气泡表面，重复上述“吸附-头基断裂”循环，逐步脱去CF2单元，直至最终矿化为F–、CO2等无害无机物。该机制在中高频率（100–1000 kHz）下对于PFCAs和PFSAs均适用。
影响降解效率的关键参数
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溶液化学：
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PFAS浓度与结构：初始浓度决定了反应级数，存在一个最优降解浓度。长链、高氟化度的PFAS因其疏水性更强，更易富集在气泡界面，降解速率通常高于短链类似物。羧酸头基的PFCAs降解和脱氟速率通常高于磺酸头基的PFSAs。
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氧化添加剂：在低频US（<100 kHz）下，添加过硫酸盐、高碘酸盐、高锰酸盐等氧化剂可产生硫酸根自由基（SO4•–）、碘自由基等活性物种，通过自由基氧化途径增强PFAS（尤其是PFCAs）的降解。
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表面活性剂：阳离子表面活性剂可通过降低表面张力、吸引PFAS分子至界面而促进降解；而阴离子表面活性剂则会与PFAS竞争界面位点，抑制降解。
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pH与温度：酸性条件有助于PFAS以分子形式存在，增强其在气泡界面的吸附。适当升高温度可提高反应动力学，但过高温度会削弱空化强度。
- 2.
操作条件：
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US频率：中高频（100–1000 kHz）通常优于低频，因其能产生更多、更小的空化气泡，提供更大的反应界面。频率过高（>1000 kHz）则因声波周期过短而降低效率。
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功率密度：增加功率可提高空化气泡的数量和坍塌强度，从而提升降解速率，但存在一个最佳值，超过后可能因气泡过多导致声波散射或衰减。
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流速：优化流速可扰动气泡壁，促进不对称坍塌，可能增强溶剂化电子的产生，从而提高处理效率。
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反应器配置：玻璃反应器因其优异的声波传导性能，通常比聚丙烯等材料表现出更高的降解效率。
与其他技术的联用
超声波可与其他修复技术协同作用。例如，作为后续处理步骤，用于降解从吸附剂（如活性炭、离子交换树脂）上洗脱下来的PFAS浓缩液。同时，US与紫外线（UV）、电化学、光催化或电催化等技术联用，可产生协同效应，通过改善传质、清洁电极表面或产生更多活性物种来显著提高PFAS的降解和矿化效率。
结论与展望
超声波辐照技术为实现PFAS的彻底矿化提供了有效途径。未来的研究重点在于优化反应器设计、降低能耗，并通过与浓缩技术的联用以及在实际复杂水体中的中试规模验证，推动该技术向大规模工程应用迈进。
