金属有机框架纳米材料去除水中PFAS：关键结构-性能评估、再生限制及规模化方向

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Metal–organic frameworks nanomaterials for PFAS removal from water: critical structure–performance assessment, regeneration limits, and scale-up directions

　　

# 摘要

本综述探讨了金属-有机框架（MOF）纳米吸附剂作为全氟和多氟烷基物质（PFAS）去除技术的可能性，因其金属节点和有机连接体均可进行工程设计而备受关注。由于其结构可调性和高的比表面积，MOF可通过改造创造额外的吸附位点。这些特性使MOF成为PFAS去除领域极具前景的材料。然而，尽管这些材料前景广阔，其实际效果最终将取决于MOF的组成以及水基质的复杂性。已报道了涉及结构设计、配位化学、结构-性能关系以及再生的策略，以提升MOF纳米吸附剂的实际应用性。综述最后展望了理性设计原则和系统集成方法，可将基于MOF的纳米吸附剂从实验室研究转化为可扩展的现实PFAS处理方案。分析表明，高批次吸附容量通常在非等效单一溶质条件下出现；真实水基质、溶解性有机物（DOM）、离子强度以及不完全再生仍是部署的主要障碍。

# 引言

含氟有机污染物，特别是PFAS，是环境中有害且持久的污染物（Nakayama等人，2019）。强碳-氟键使得这些合成脂肪族分子在热学和化学上具有高度稳定性。PFAS具有疏水性和疏油性，能够抵抗光解、水解、微生物降解和化学氧化。PFAS生产和氟聚合物数据显示，全球至少有46,000吨全氟烷基酸（一个子组）的排放量。氟聚合物被用于不粘锅具、水成膜泡沫、纺织品和其他行业，其全球产量超过230,000吨（Johansson等人，2019）（Glüge等人，2020）。

全氟和多氟烷基物质（PFAS）的广泛存在源于点源和非点源污染。PFAS的点源包括污水处理厂、机场、军事基地、工业场地、垃圾填埋场、生物固体处置场以及用于灭火的PFAS基泡沫（Liu等人，2026）。非点源主要来自工业或农业活动向大气排放的PFAS。环境中常识别的PFAS化学物质类型有很多：PFOA、PFOS、PFHxS、PFNA、PFBA、PFBS和氟代醇（FTOH）前体（Wang等人，2026）。图1展示了PFAS的环境传输途径和归宿。一旦进入环境，PFAS通过地表水和地下水流、大气沉降和降水广泛传输（Zhang等人，2024b）。污水处理厂接收工业废水、消防泡沫径流和生活污水。然而，研究表明，进水PFAS浓度为数微克/升，而对于短链物种，出水水平超过数十微克/升，凸显了现有基础设施的不足（Yamazaki等人，2021）。意大利北部污水处理厂（WWTPs）接收的进水中全氟羧酸（PPCA）水平在1.91至3.0 μg/L之间；污水处理厂出水含有66.1 μg/L的PFBS，表明WWTPs对短链PFAS物种的去除效果很差（Giannelli Moneta等人，2023）。PFAS的环境归宿和传输与其物理化学性质直接相关，即疏水性、挥发性、表面电荷、分配行为等，以及包括温度、pH值和有机物浓度在内的环境条件（Jiang等人，2024）。

PFAS修复策略分为非破坏性分离方法（粒状活性炭吸附、离子交换树脂、膜过滤、泡沫分选）和破坏性降解技术（高级氧化工艺、电化学氧化、等离子体处理、超临界水氧化和热解（Tshangana等人，2025）（Chikaodili等人，2025），汇总于表1。非破坏性方法依赖于静电吸引、疏水和氟亲和相互作用、氢键和π-π堆积。破坏性方法使用高活性自由基或高能量中间体来实现矿化，但由于其高成本和能源需求，通常仅用于浓缩废物流。

与非破坏性方法和PFAS的破坏性方法相比，作为一种新兴的多功能材料，金属-有机框架（MOFs）因其独特的多孔结构、高比表面积、可调的化学性质和优异的功能化潜力，在PFAS修复领域展现了广阔的应用前景（Marghade等人，2021）（Chen等人，2024）（He等人，2025）（Ilango和Liang，2024）（Wang等人，2024）（Adewuyi和Li，2024）。基本上，MOF是由无机次级建筑单元（SBUs）和有机连接体形成的固体配位聚合物；它们架起了配位化学和超分子自组装两个学科之间的桥梁（Yang等人，2025）。

使用MOF去除PFAS的重要参数是其在复杂真实水系统中的稳定性。MOF的总体稳定性在很大程度上受到金属节点与有机配体之间硬-软酸碱（HSAB）相互作用的影响。某些MOF在弱酸性条件下表现出增强的PFAS吸附。此外，PFOA和PFOS等PFAS化合物的羧酸根和磺酸根端基可以在低pH值下与MOF的质子化位点结合，从而增强其吸附性能（Nguyen等人，2022）。随着pH值升高，氢氧根离子（OH?）将与PFAS竞争MOF结合位点；特别是对于含金属的MOF，金属节点（如Fe3?）与OH?离子之间的结合能远强于金属节点与PFAS之间的结合能（McGarr等人，2023）。先前的研究已证实，混合金属节点和缺陷工程可用于调节孔隙率和电子性质，应用于光催化和能量存储（Ansari等人，2025）（Wahiduzzaman等人，2018）（Nguyen等人，2022）（McGarr等人，2023）（Singh等人，2024）。应使用单晶X射线衍射、固态NMR和同步辐射粉末X射线衍射等高级表征技术，不仅用于确认结构，还用于开发用于框架迭代改性的设计图谱。金属-配体配位相互作用显著影响MOF拓扑结构和机械稳定性。配体结构和表面功能化控制MOF的孔径、孔道几何形状以及主-客体相互作用。

本综述批判性地审视了金属-有机框架（MOFs）纳米吸附剂和基于MOF的纳米复合材料在吸附去除水系统中全氟和多氟烷基物质（PFASs）方面的应用。主要重点在于MOF架构、吸附性能、再生限制、结构稳定性和可扩展潜力之间的关系。与简单地列出先前报道的MOF吸附剂的常规综述不同，本综述发展了一个结构-性能框架，将金属-配体配位化学、金属节点组成、连接体选择、孔径分布、表面功能、缺陷密度和后合成修饰与PFAS吸附容量、选择性和稳定性联系起来。批判性地评估了控制MOF与PFAS相互作用的基本机制，包括静电吸引、疏水相互作用、氟亲和作用、氢键和形状/尺寸依赖的孔道限制。

评估了设计策略，包括金属节点调节、MOF表面官能团整合、孔道调节、缺陷工程和基于MOF的复合材料开发，用于评估其在长链和短链PFAS去除、PFAS前体和复杂PFAS混合物中的有效性。为应对实验方案中的显著变异性，本综述区分了在相同或严格控制的条件下进行的直接比较与更广泛的跨研究趋势分析。虽然先前的综述主要关注MOF对PFAS的去除能力，但本综述通过将相同条件比较与跨研究比较分离开来，并评估再生效率、解吸要求、循环耐久性、在复杂水基质中的稳定性、金属和配体浸出、竞争吸附、环境安全性和生命周期管理，从而批判性地评估证据强度。还考虑了高浓度实验室实验与环境相关PFAS浓度之间的差异。综述最后确定了设计原则和主要研究问题，以将基于MOF的PFAS吸附从试点规模研究扩展到真实水验证。

# 章节片段

## 原始MOFs对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的吸附

先前的研究表明，原始金属-有机框架（MOFs）具有几种适合PFAS吸附的结构特征：i）大的表面面积/重量比，ii）各种尺寸和形状的多孔性，以及iii）金属上可结合PFAS分子的多个位点。这些特征促成了PFAS被原始MOFs快速吸附（Zhao等人，2019）。图2展示了某些常用的PFAS去除MOF的结构。

## 基于锆的MOFs

## 原始MOFs中PFAS吸附的机制

PFAS吸附到原始MOFs上的主要机制包括非共价相互作用和配位驱动的相互作用，这些机制基于PFAS分子的化学性质（PFAS链长、官能团数量和电离状态）和MOF的物理结构（金属中心、连接体类型和孔道形状）。本节讨论了由原始MOFs去除PFAS报道的主要吸附机制，如图4所示。

## 链

## 金属-有机框架纳米吸附剂设计的进展用于选择性PFAS去除

技术现状已从报告高的q_max值转变为工程化框架，在混合PFAS和高DOM水中维持选择性、动力学和可再生性（Guo等人，2024）。基于图5所示的结构-性能框架开发用于PFAS修复的MOFs，包括金属节点化学、孔结构/架构和表面化学/电荷。先前的研究表明，使用缺陷工程技术进行理性优化，更高的…

## 粉末状MOF与MOF集成膜

比较用于PFAS去除的粉末状MOF和MOF集成膜系统，揭示了吸附性能与实际应用性之间明显的权衡。粉末状MOF由于其丰富的活性位点，可以实现快速、高容量的PFAS去除，这些活性位点促进了与PFAS分子的静电和疏水相互作用。广泛使用的基于锆的粉末状MOF包括MOF-808、NU-1000和PCN系列的成员。PCN-999表现出对PFOA的吸附容量为…

## 再生、稳定性和生命周期约束

限制粉末状和膜集成MOF大规模实施的主要限制包括再生效率和长期可回收性。缺乏进展的主要原因是，各种研究比较了其性能的不同方面。每项研究在吸附剂、全氟和多氟烷基物质（PFAS）类型、再生方法和操作参数方面都各不相同。因此，性能趋势的结论应该…

## 经济和可扩展性限制

基于MOF的PFAS去除的经济评估广泛取决于所选的系统边界和方法论假设。

MOFs的生产成本和可扩展性限制了其大规模使用。复杂的合成、低产率和昂贵的金属前体和有机配体使其不盈利。因此，当前研究正在优化反应条件、前体选择和产量，以开发更快、更便宜和更可扩展的合成方法。连续流、机械化学和自动化…

## 混合吸附-破坏处理系统

一种可行的PFAS处理系统由MOF吸附过程组成，该过程可以有效捕获稀释水溶液中的PFAS（通常为μg/L – ng/L），在少量高浓度再生剂液体中，并结合一种能够矿化再生液流中存在的PFAS的破坏性处理技术。当前使用的主要破坏性处理技术类型包括电化学氧化、高级氧化工艺和基于等离子体的处理。尽管…

## 标准化的PFAS-MOF基准测试和归一化用于跨研究比较

为了能够在表2中描述的各种条件之间进行实际比较，我们建议未来的PFAS-MOF研究以及对该文献的后续综述，应包括基于至少三个平衡浓度（或此类浓度范围）的分配系数Kd = qe/Ce，这些条件最有可能在预期使用或应用期间遇到（例如，水处理为0.01–1.0 μg/L；浓缩液/渗滤液处理为1–1000 mg/L）。

## 未来展望

MOFs已成为PFAS去除的有前景的吸附剂，归功于其可调的孔道拓扑结构、高比表面积和多样的表面功能化。要将基于MOF的PFAS处理从实验室推向现场，必须改善可扩展性、稳定性、再生和环境安全性。因此，未来研究应关注经济实惠且环保的大规模合成方法。优化工业上可行的生产方法，如喷雾干燥、造粒、膜集成…

## 结论

总之，金属-有机框架（MOFs）可以通过其可调的孔道拓扑结构、大表面积和灵活的表面化学来去除PFAS。比较研究表明，静电相互作用、疏水分配和配位效应驱动PFAS吸附，这些效应可以通过连接体功能化、开放金属位点和后合成改性进行调节。带正电荷的官能团促进阴离子PFAS的吸附，而分级孔结构…

# CRediT作者贡献声明

Deepali Marghade：写作 - 初稿，监督，调查，概念化。D. Karunanidhi：写作 - 初稿。Sagar Shelare：写作 - 审阅与编辑，写作 - 初稿，可视化。

# 资金来源

未获得资金。

# 利益冲突声明

作者声明他们不拥有任何可识别的冲突经济利益或个人关系，这些可能看似对本手稿中呈现的研究产生影响。

Deepali Marghade | D. Karunanidhi | Sagar Shelare