综述：微纳米气泡技术提高了水环境中全氟和多氟烷基物质（PFAS）的去除效果：技术进步及增强PFAS去除效果的机制

《Journal of Water Process Engineering》：Micro-nano bubbles technology enhances PFAS removal in aquatic environments: Technological advancements and mechanisms for enhancing PFAS removal

　　• 微纳气泡（MNBs）可以增强从水基质中去除全氟和多氟烷基物质（PFAS）的效果。
• 界面富集是MNBs辅助PFAS分离的关键驱动力。
• 短链PFAS仍然更难以富集和去除。
• 比较了MNBs与吸附、泡沫分馏和等离子体技术的结合使用效果。
• 未来的研究应提高可扩展性并明确生态风险。

**引言**
全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类合成持久性有机污染物，包含超过9000种化合物[1]，其特征是烷基链上的所有或部分氢原子被氟原子取代[2]。这种独特的分子结构赋予了PFAS极高的热稳定性以及防水、抗油和抗污性能，导致它们被广泛应用于全球众多工业和消费品中，包括医疗设备、纺织品、食品包装、炊具、皮革制品和消防材料[3]、[4]、[5]。在其生命周期中，PFAS可以通过多种途径释放到环境中，例如医疗设备的不当处理、食品包装的随意丢弃、工业生产过程中的排放、纺织品清洗过程中的渗漏以及使用后的消防泡沫迁移。PFAS的环境持久性和广泛分布主要归因于高度稳定的CF键[6]，这是有机化学中最强的单键之一[7]。这种键使PFAS具有很强的抗环境降解能力，导致它们在空气[8]、水[9]、土壤[10]和生物体[11]、[12]中普遍存在。

随着研究的进展，PFAS的潜在毒性变得越来越明显[13]。由于其生物累积性质，PFAS可以在人体内长期存在，并与多种健康风险密切相关，包括癌症、血脂异常和内分泌紊乱[14]。鉴于PFAS带来的日益严重的环境危害和健康风险，全球的监管努力一直在加强。例如，2024年美国环境保护署（EPA）发布了《国家初级饮用水法规》，将全氟辛酸（PFOA）及其盐类以及全氟辛烷磺酸（PFOS）及其盐类的最大污染物含量设定为4.0 ppm。此外，全氟己烷磺酸（PFHxS）、六氟丙烯氧化物二聚酸（GenX）、全氟丁烷磺酸（PFBS）和全氟壬酸（PFNA）的综合危害指数阈值也被定义为1[15]。在中国，2022年发布了《新污染物治理行动计划》，并在2023年将PFAS纳入重点控制新污染物名单以加强监管。这些严格的法规充分体现了控制PFAS污染的紧迫性。作为PFAS传输和积累的重要载体，水环境已成为当前环境研究的主要焦点，从水中有效去除PFAS已成为关键的研究重点（图1）。

目前，从水环境中去除PFAS的主要技术包括吸附、膜分离、高级氧化/还原、热降解、泡沫分馏和等离子体处理。吸附成本低廉且操作简单，可以实现PFAS的保留和富集[16]。然而，水中存在的其他有机物质可能会竞争吸附位点，导致吸附能力迅速下降，从而影响处理效果和操作稳定性[17]。膜分离技术可以高效保留PFAS并确保出水水质，但容易发生膜污染，需要频繁清洗和更换，导致较高的运营和维护成本。高级氧化/还原过程可以在分子水平上破坏PFAS[18]、[19]，但受到高能耗、高成本、可能产生未知副产物以及严重依赖于水质条件的限制[20]。热处理在足够高的温度下可以彻底破坏PFAS，但需要大量的能量输入，并可能产生氟化转化产物[21]。尽管等离子体技术可以高效降解长链PFAS，但仍受到高能耗、超短链PFAS去除不完全以及降解产物性质不明确的影响。除了这些特定技术的限制外，许多PFAS分离和破坏过程还存在一个共同的质量传递瓶颈。在有效捕获或降解之前，必须将环境相关浓度的PFAS从整体水相传输到有限的吸附位点、膜表面、气-液界面或高度局部化的反应区域。不足的体相到界面的传输会降低吸附剂和短寿命反应物种的利用效率。这一限制对于短链PFAS尤为重要，因为它们的疏水性和界面亲和力通常比长链PFAS较弱。因此，有效的过程强化策略不仅应分离或降解PFAS，还应促进其在可控分离或反应界面上的传输和富集。

近年来，微纳气泡（MNBs）由于其独特的物理化学性质和潜在应用而受到广泛关注，并成为水处理和生物医学等领域中的一项有前途的技术。MNBs被定义为直径介于微米到纳米级别的气泡[22]。与传统的大气泡相比，MNBs具有更大的比表面积、较低的上升速度、更长的停留时间、更强的抗聚结能力以及增强的气-液质量传递性能[23]、[24]、[25]。最近的实验比较还表明，MNBs曝气系统在体积氧传递系数、标准氧传递率和标准氧传递效率方面优于传统曝气系统[26]。这些特性对于PFAS处理尤为重要，因为许多PFAS分子具有两亲性结构，倾向于在空气-水界面积聚。实验研究表明，空气-水界面的吸附可以显著贡献于PFOA的保留，并且在环境相关的ng/L–μg/L浓度下仍可测量[27]、[28]。因此，MNBs提供的丰富界面增加了PFAS的吸附表面积，促进了它们从整体水相向界面的传输，从而在稀PFAS溶液中结合了界面富集和质量传递强化。

MNBs的独特价值不在于它们能够独立破坏PFAS。相反，MNBs可以作为界面载体和过程强化平台，通过在气-液界面促进PFAS的传输和富集来增强现有处理技术[29]。气泡破裂还可能产生反应物种，包括羟基自由基（·OH），这种自由基可以在耦合处理系统中促进污染物的氧化[30]、[31]。因此，MNBs可以在吸附和泡沫分馏系统中增强PFAS的捕获，并改善基于等离子体的降解过程中的界面反应条件。因此，它们的作用应主要理解为增强PFAS的传输、富集和界面反应，而不仅仅是通过·OH直接矿物化PFAS。

尽管对MNBs辅助PFAS处理的兴趣日益增加，但现有的证据仍然零散，缺乏一个系统性的框架来联系MNBs的物理化学性质与PFAS界面行为、体相到界面的质量传递以及耦合处理过程的表现。特别是，目前尚不清楚在哪些操作和水化学条件下MNBs可以有效缓解界面和质量传递的限制，它们对长链和短链PFAS的增强效果有何不同，以及如何在平衡去除效率、能源需求和转化产物控制的同时合理整合MNBs辅助的分离和破坏过程。

因此，本综述系统总结了MNBs的核心特性和常用的生产方法，重点介绍了它们在增强PFAS去除方面的作用机制和研究进展。进一步回顾了MNBs与吸附、泡沫分馏和等离子体等技术结合使用时的有效性、适用性和机制。最后，综述指出了MNBs增强PFAS去除技术中的当前挑战，并提出了潜在的优化策略，旨在为推进MNBs在PFAS污染水处理中的理论理解和实际工程应用提供指导。

**节选内容**
**气泡大小、尺寸分布和上升速度**
如图2a所示，MNBs通常分为直径为1–100 μm的微气泡和直径小于1 μm的纳气泡，而宏观气泡通常大于100 μm。由于体积微小，MNBs的惯性力远低于表面张力或粘性力，使它们能够在水溶液中保持球形[32]。此外，Kim等人[33]的实验表明，MNBs的上升速度非常低，显著低于...

**MNBs增强的PFAS去除技术**
PFAS具有高化学稳定性、表面活性和环境持久性。尽管已经应用了吸附、泡沫分馏和等离子体处理等传统技术来去除PFAS，但质量传递限制、界面利用率不足以及难以实现深度降解仍然是主要挑战。由于MNBs具有较大的比表面积、较低的上升速度、较长的停留时间和明显的界面效应，它们可以促进...

**挑战与未来展望**
MNBs在PFAS处理方面显示出巨大的潜力，因为它们具有较大的比表面积、较长的停留时间、较低的上升速度和独特的气-液界面性质。这些特性使MNBs能够增强PFAS的界面富集、质量传递、吸附、泡沫分馏和等离子体辅助降解。然而，需要进一步的研究将这些优势转化为稳定、高效且环境可持续的全规模应用。

**结论**
PFAS是持久性和生物毒性的新兴污染物，对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。本综述总结了MNBs的性质和生成方法，并讨论了它们在PFAS去除中的应用。MNBs可以通过促进界面富集、改善质量传递、优化吸附剂表面环境以及促进如·OH等反应物种的生成来增强PFAS处理效果。MNBs增强的吸附提高了吸附动力学...

**作者贡献声明**
蒋 Conglu：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 原稿、资源收集、数据分析。
刘宝珍：撰写 – 原稿、方法学。
王慧敏：撰写 – 原稿、方法学。
王永磊：撰写 – 原稿、方法学。
杜振奇：监督、方法学。
宋学文：监督、方法学。
刘宝森：方法学、概念化。
刘伟：方法学、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了中国山东省重点研发计划（2023TZXD019）、国家自然科学基金（项目编号52400172）、山东省青年科技人才支持项目（SDAST2025QTA041）以及山东省住房与城乡发展科技项目（2025KYKF-LSDT078）的共同支持。

**作者名单**
蒋 Conglu | 刘宝珍 | 王慧敏 | 王永磊 | 杜振奇 | 宋学文 | 刘宝森 | 刘伟