《Process Safety and Environmental Protection》：Effective defluorination of per- and polyfluoroalkyl substances in actual water environment by liquid phase microwave discharge: Elucidation of discharge characteristics and mechanism
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摘要作为一种新型的水处理技术，等离子体技术能够在原位产生自由基，对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的降解具有显著效果。然而，实际水环境的高电导率及复杂的成分可能会干扰PFAS的脱氟过程。为在真实水环境中更高效地实现PFAS的脱氟，本研究探讨了液相微波放电等离子体技术的放电特性。研究
摘要
作为一种新型的水处理技术，等离子体技术能够在原位产生自由基，对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的降解具有显著效果。然而，实际水环境的高电导率及复杂的成分可能会干扰PFAS的脱氟过程。为在真实水环境中更高效地实现PFAS的脱氟，本研究探讨了液相微波放电等离子体技术的放电特性。研究发现，电导率对放电影响极小。当水溶液的电导率提升至2000 μS/cm时，可获得稳定的放电状态，此时PFOA的脱氟率可达82.6%，PFOS的脱氟率可达72.4%。研究结果表明，微波放电等离子体技术具有广泛的适用性，能够适应不同电导率的各种水环境。基于研究结果，优化了实验参数，找到了解决实际水环境中PFAS脱氟难题的方法。参数优化后，在湖泊水和自来水中的两种PFAS的脱氟率可达到约80%，这表明该技术在实际水环境中的PFAS脱氟方面具有显著优势。
引言
PFAS是一类持久性有机污染物，近年来日益受到全球关注。这是因为它们分布广泛、具有生物累积性，且可能对生态系统造成危害。PFAS因其坚固的碳氟键而难以被自然降解，这使得它们在环境中持续存在，并通过食物链逐渐在生物体内积累。传统的水处理技术往往难以高效彻底地去除PFAS，尤其是在处理长链PFAS或复杂水体系时。因此，开发出用于实际水环境中降解和脱氟PFAS的创新有效技术至关重要。
冷等离子体作为一种降解PFAS的技术方法，展现出良好的应用前景（Papalexopoulou等人，2024年；Topolovec等人，2024a年）。该技术既能产生还原性活性物种，也能产生氧化性活性物种，其中水合电子起着关键作用。这些水合电子能够在常温条件下以较低的能耗直接断裂C-F键（Aggelopoulos，2026a年）。DBD等离子体技术因其在降解PFAS方面的高效性和环保性而备受关注（Zhang等人，2021年；Zhang等人，2024年）。Zhu等人发明了一种用于降解PFOA的新型气液DBD反应器，50分钟内即可将PFOA的去除率提高到98.0%以上（Zhang等人，2024年）。在实验室研究中，利用非热等离子体射流处理水体的方法也展现了出色的降解效果（Topolovec等人，2024b年；Jovicic等人，2018a年）。在去离子水中，长链PFAS化合物如PFOS（去除率99.9%）和PFHxA（去除率94.6%）的去除效率均超过90%。但在更复杂的介质中，如自来水或合成废水，其降解效率会显著下降。在自来水中，PFOS的降解率仅为50%，而短链化合物的降解率约为10%（Topolovec等人，2024b年）。
液相微波放电等离子体属于冷等离子体技术的一种。它在制氢、涂层制备、纳米粒子生成以及水净化等领域表现出优异的性能优势（Jovicic等人，2018a年；Vanraes和Bogaerts，2018年；Aggelopoulos，2026b年）。这得益于液相放电的多种特性（Park等人，2021年；Horikoshi等人，2011年）。放电过程中可以产生多种活性物种，这些物种可作为中间反应介质（Xin等人，2021年；Sunka等人，1999年）。液相微波放电还具有空间分布广、等离子体密度高以及活性粒子丰富的特点。此外，该技术能在水中直接产生等离子体，从而提高传质效率，节省能源并简化设备设计（Nawaz等人，2023年；Lebedev，2010年；Zakletskii等人，2025年）。先前的研究已证明等离子体技术在降解PFAS方面的有效性。然而，许多实际水体由于含有溶解盐和矿物质而具有较高的电导率，这会显著影响等离子体放电特性，进而影响处理效率。基于此，本研究旨在系统探究微波放电等离子体技术的放电特性，重点研究水电导率对放电稳定性以及后续PFAS脱氟效率的影响。深入研究微波照射下液体的放电特性以及放电过程中产生的活性物种，对于阐明放电机制、优化放电条件以提高效率、以及推动其在污染物分解中的应用具有重要意义。
本研究详细分析了液体中微波放电等离子体的物理化学性质。首先研究了放电的宏观形态、气泡的特性以及等离子体体积。随后对活性物种进行了表征，同时调控了等离子体和溶液的参数，并对这些活性物种的性质进行了定量分析。此外，还利用液相微波放电等离子体研究了去除全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）中氟元素的方法，进一步探究了内部和外部等离子体通道对脱氟过程的影响。同时也研究了对脱氟而言最重要的活性物种。最后，在实际水环境中对PFAS进行了脱氟处理，计算并比较了总有机碳（TOC）的去除率和脱氟能量效率。本研究评估了液相微波放电等离子体技术在实际复杂水系统中的应用潜力，为在高电导率水环境中降解PFAS提供了一种新颖可行的技术方法，同时也填补了关于液相微波放电技术在不同电导率水环境中应用于PFAS处理的研究空白。
章节要点
实验方法
该研究使用的工业级微波发生器的额定输出功率为1千瓦，工作频率为2.45吉赫兹。反应容器由不锈钢制成，容积约为2.5升，顶部有透明盖子，侧面设有观察窗。在系统启动前，需将容器密封并连接到真空泵上，以维持内部的负压状态。接通电源后，微波能量通过波导和同轴电缆传输到电极上。
气泡特性
在放电过程中会生成大量小气泡。气泡的形成具有周期性变化，而等离子体则在气泡内部持续稳定地产生。图3展示了放电周期中气泡的变化情况。从上一个气泡破裂到新的气泡生成，整个周期大约为50毫秒。
微波放电等离子体的空间特性
研究中对等离子体的发光区域进行了捕捉，并计算了其最大体积，同时还获得了灰度图像。
结论
为在实际水环境中高效实现PFAS的脱氟，本研究系统研究了液相微波放电等离子体的特性，阐明了其降解PFAS的基本机制。研究结果表明，液相微波放电能够产生多种活性物种，这些物种有助于PFAS的脱氟。在2000 μS/cm的高电导率条件下，PFOA和PFOS的脱氟率分别可达82.6%和72.4%。
作者贡献
所有作者都参与了这项研究的构思与设计。孙少华：研究构思、方法设计、初稿撰写。孙明泽：文章修订与编辑。朱晓梅：研究结果验证。刘辉：数据整理。姚子伟：正式数据分析。孙冰：资源协调、数据整理、文章修订与编辑。
CRediT作者贡献说明
孙冰：文章修订与编辑、资源协调、数据整理。姚子伟：正式数据分析。孙明泽：文章修订与编辑。孙少华：初稿撰写、方法设计、研究构思。刘辉：数据整理。朱晓梅：研究结果验证。
关于写作过程中使用生成式AI及AI辅助技术的情况声明
本研究未使用人工智能技术。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金[12475258]、河北交通投资集团重大科技研发项目[NY2024D1-01]以及中央高校基本科研业务费[3132023503]的支持。
孙少华|孙明泽|朱晓梅|刘辉|姚子伟|孙冰
