综述：水中全氟和多氟烷基物质的声降解研究：综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Sonodegradation of per- and polyfluoroalkyl substances in water: A review

　　

摘要

全氟和多氟烷基物质（PFASs）需要通过破坏性方法进行处理，因为传统的分离过程会产生高浓度的二次废物。本综述批判性地评估了基于超声波的PFAS降解机制、操作条件、添加剂以及混合处理方法。对于PFOS和PFOA来说，界面热解和离子头基团断裂仍然是最被推崇的降解途径，尽管电子介导的反应和氟化链内的断裂也可能起到一定作用。处理效果取决于PFAS的结构、水质、空化条件以及反应器设计；因此，不存在通用的最佳处理方案。过硫酸盐、表面活性剂和混合处理方法可以通过影响自由基生成、界面分配、胶束形成和能量传递来增强或抑制降解过程。然而，实际应用仍然受到高能耗、基质干扰、不均匀声场以及放大效应的限制。未来的研究应标准化能量消耗的记录方法，验证降解机制，量化氟的质量平衡及转化产物，并使用实际受污染的水体测试连续流动系统。

引言

全氟烷基物质（PFASs）广泛应用于工业和消费产品中[1]。因此，其生产和使用的增加导致了PFASs在环境中的排放量增多[2]。来自垃圾填埋场、污水处理厂、消防训练场和工业设施等各种来源的排放物已导致土壤和地下水的广泛污染[3]。2023年的一项调查显示，欧洲大约有23,000个地点存在PFAS污染，其中2,300个地点的污染物浓度超过了对人体健康有害的水平[4]。据报道，全球地下水中全氟辛烷磺酸（PFOS）的浓度范围为0.01 ng/L至5 mg/L，这引发了严重的环境和公共健康问题[5]。

人类主要通过饮用水接触PFASs[6]。它们的化学性质使其易于在生物体内积累，从而对人类健康和环境构成威胁[7]。这些健康问题促使全球加强了相关监管框架[8]。2024年4月，美国环境保护署（U.S. EPA）针对六种PFASs制定了国家级的饮用水标准[9]。全氟辛酸（PFOA）和PFOS的最大污染物浓度（MCL）被设定为4 ng/L，而全氟己烷磺酸（PFHxS）、全氟壬烷酸（PFNA）和六氟丙炔氧化物二聚酸（HFPO-DA；GenX）的MCL被设定为10 ng/L[9]。对于同时含有PFHxS、PFNA、HFPO-DA和全氟丁烷磺酸中至少两种物质的PFAS混合物，适用一个无量纲的危险指数MCL为1[9]。这些严格的饮用水标准要求开发并实施更有效的PFAS去除技术[8]。

几种处理方法，如反渗透、泡沫分离、纳滤、颗粒活性炭和阴离子交换树脂，能够有效地从水中去除PFASs[10]。然而，这些过程也会产生富含PFASs的废水[8]。在2020年之前，焚烧被认为是处理高浓度PFAS废物的可行方法。然而，在美国环保署发布了一份指出焚烧副产物去向不明的报告后，这种方法的有效性受到了质疑[6]。为了解决这些限制并实现PFASs的完全降解，研究人员越来越多地关注先进技术，包括高级氧化过程（AOPs）、光解、电化学降解和声化学处理[11]。

超声波（US）被认为是一种有前景的PFAS降解技术，因为它具有高效的降解效率、缩短的反应时间以及增强的能量传递效果[12]。PFASs的声化学降解是由声空化驱动的，高频超声波在水环境中诱导气泡的形成、生长和破裂[13]。空化气泡的爆裂会在局部产生极端条件，通过两种主要机制促进PFAS的降解：(i) 由水声解过程中产生的羟基自由基（^•OH）进行的氧化；(ii) 在破裂气泡内部或附近发生的热解[14]。多项研究表明，加入各种氧化剂和添加剂（如臭氧（O₃）、H₂O₂、过碘酸盐（PI）、碳酸盐、无机阴离子和过硫酸盐（PS）可以显著提高超声波处理的降解效率[15]。

迄今为止，已经鉴定出4,700多种PFASs，有几项综述研究了使用超声波和其他先进工艺对其的降解效果[13]、[16]、[17]、[18]。然而，以往的综述很少系统地比较不同PFASs根据链长、功能头基团和分子结构的降解行为。它们还很少考虑由于水质差异、超声条件、反应器配置、添加剂和环境基质不同而产生的矛盾结果。为了填补这些空白，本综述批判性地比较了影响PFASs声化学降解的因素，通过分析实验条件的差异来协调矛盾的结果，并评估了矿化途径、添加剂辅助系统和混合处理方法。此外，还强调了与能源消耗、连续流动操作、放大效应以及在实际受污染水体中处理相关的实际障碍。这一综合评估为基于超声波的PFAS处理技术的实际开发提供了具体的研究重点。

章节摘录

pH值的影响

溶液的pH值会影响PFOA的形态和分配、氧化剂的反应性、自由基的类型、界面电荷以及空化现象[19]。因此，最适宜的pH值因系统中的主导反应机制而异[20]。胡等人预计，将pH值从7降低到2会增加H⁺的浓度并增强高锰酸根（PM）的氧化能力[21]。这种效应有望改善PFOA的分解和脱氟过程。然而，如图1(a)所示，PFOA的...

过硫酸盐（PS）的影响

过硫酸盐（PS）在PFAS降解研究中受到了广泛关注，因为它在活化后能够生成高度活性的SO₄^•?[82]。SO₄^•?具有与^•OH相当的高氧化潜力，并且寿命相对较长，这使其被视为PFAS降解过程中有用的活性物种。将PS与超声辐照结合被提出作为一种策略，以协同结合自由基氧化和空化诱导的热解过程

PFASs的矿化途径

超声波主要通过空化气泡-水界面处的热解作用降解PFOS和PFOA[66]。这些化合物的挥发性较低，亨利定律常数也较小，因此它们会在气泡-水界面处积累，而不是进入气泡的蒸汽相。它们与溶液中的^•OH反应缓慢，这限制了^•OH介导的氧化作用[107]。相反，气泡破裂时产生的高温会引发界面热解

在基于超声波的混合处理过程中，PFASs的降解受到空化诱导的热解作用与耦合技术的互补功能的共同影响[116]。虽然超声波通过破裂气泡内的高温高压条件提供了主要的驱动力，但整体降解效率显著受到混合系统配置的影响[39]。联合使用臭氧氧化、紫外线辐照等工艺

超声波可以通过在空化气泡-水界面处聚集表面活性化合物并引发高温热解来降解PFASs。界面热解和离子头基团断裂仍然是PFOS和PFOA最被广泛接受的降解途径。然而，在特定条件下，水合电子介导的反应和氟化链内的断裂也可能起到一定作用。水质、PFAS结构、频率、功率密度、温度和反应器配置等因素都会影响降解效果

利益冲突

不存在需要声明的利益冲突。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）提供资金支持（项目编号：RS-2023-00272059、RS-2024-00512818和RS-2025-00554489）。

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的报告内容

Eunseo Kwon | Jong Soo Choi | Hak-Hyeon Kim | Doorae Lee | Chang Min Park | Choe Earn Choong | Min Jang | Shane A. Snyder | Byung-Moon Jun | Yeomin Yoon韩国梨花女子大学环境科学与工程系，52 Ewhayeodae-gil, Seodaemun-gu, Seoul 03760, Republic of Korea