美國萊斯大學(xué)牽頭的一個國際科研團(tuán)隊近日宣布，他們開發(fā)出一種全新環(huán)保工藝，可在水體中快速捕獲并分解被稱為“永久化學(xué)品”的全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS），這一成果被認(rèn)為是在治理頑固環(huán)境污染方面邁出的重要一步。

PFAS 是自上世紀(jì) 40 年代以來廣泛用于特氟龍不粘涂層、防水服裝和食品包裝等日常產(chǎn)品的人造化學(xué)物質(zhì)，因具有耐熱、防油、防水等優(yōu)點(diǎn)而大量應(yīng)用，但也正因為極難降解，被稱為“永久化學(xué)品”。目前，PFAS 已經(jīng)在全球的水體、土壤和空氣中廣泛檢出，相關(guān)研究表明，暴露于這類物質(zhì)與肝損傷、生殖問題、免疫系統(tǒng)紊亂以及某些癌癥風(fēng)險上升有關(guān)，使其治理成為環(huán)境領(lǐng)域的突出難題。

長期以來，主流的 PFAS 去除技術(shù)主要依賴吸附：利用活性炭或離子交換樹脂等材料讓 PFAS 黏附其上，再將吸附劑集中處理。然而，這些方法往往存在效率低、處理速度慢、容量有限，以及在后續(xù)處置過程中產(chǎn)生二次廢物等問題。萊斯大學(xué)喬治·R·布朗工程與計算學(xué)院教授邁克爾·S·王指出，現(xiàn)有方法“太慢、效率太低，而且會產(chǎn)生額外廢棄物”，難以支撐長期且大規(guī)模的治理需求。

本次研究的突破來自一種銅–鋁層狀雙氫氧化物（LDH）材料，這一體系最早由韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的金建漢在 2021 年作為研究生期間發(fā)現(xiàn)。萊斯大學(xué)博士后研究員鐘永坤在進(jìn)一步實驗中發(fā)現(xiàn)，其中一類含硝酸根的配方對 PFAS 表現(xiàn)出異常強(qiáng)的吸附性能。據(jù)他介紹，這種 LDH 對 PFAS 的捕獲能力比其他材料高出 1000 倍以上，而且作用速度極快，在數(shù)分鐘內(nèi)即可去除大量 PFAS，比市售活性炭濾材快約 100 倍。

研究團(tuán)隊指出，這種材料之所以高效，關(guān)鍵在于其內(nèi)部高度有序的銅–鋁層狀結(jié)構(gòu)以及輕微的電荷不平衡，為 PFAS 分子的結(jié)合提供了“又快又牢”的理想微環(huán)境。在后續(xù)測試中，研究人員分別在河水、自來水和廢水等真實水樣中驗證了其性能，無論是靜態(tài)處理還是連續(xù)流動系統(tǒng)，這種 LDH 都表現(xiàn)出穩(wěn)定而優(yōu)異的去除效果，顯示出在市政給水和工業(yè)廢水治理中的工程應(yīng)用潛力。

針對 PFAS 治理中的另一大難題——徹底銷毀污染物，團(tuán)隊同樣給出了新思路。鐘永坤與萊斯大學(xué)佩德羅·阿爾瓦雷斯和詹姆斯·圖爾合作，開發(fā)出一套熱分解工藝：將吸附飽和的 LDH 與碳酸鈣一起加熱，可以在不釋放有毒副產(chǎn)物的前提下分解并“礦化”超過一半已捕獲的 PFAS。更重要的是，這一過程還能再生活性材料，使其得以重復(fù)使用。

初步研究表明，這種材料至少可以完成六個完整的“捕獲–銷毀–再生”循環(huán)，被研究團(tuán)隊視為目前首個實現(xiàn) PFAS 去除與可持續(xù)循環(huán)利用一體化的環(huán)保系統(tǒng)。項目負(fù)責(zé)人王表示，這一獨(dú)特的 LDH 技術(shù)有望在不遠(yuǎn)的將來改變 PFAS 污染水體的處理方式，而成果的取得離不開跨國合作以及年輕科研人員的創(chuàng)造力。

相關(guān)論文題為《一種可再生水處理平臺，用于超快速捕獲和礦化全氟和多氟烷基物質(zhì)》，已于 2025 年 9 月 25 日發(fā)表于期刊《Advanced Materials》。該研究獲得韓國國家研究基金會、沙特阿美–KAIST 二氧化碳管理計劃、美國陸軍工程兵團(tuán)工程研究與發(fā)展中心、萊斯大學(xué)可持續(xù)發(fā)展研究所和 WaTER 研究所等多方資助。

編譯自/ScitechDaily