《Chemosphere》：Electrokinetic mobilization of PFAS in soils: Linking head group and chain length to remediation efficiency
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PFAS因化学稳定性强、结构多样及与土壤强吸附特性，导致土壤净化困难，需针对性方法。研究对比了有机质含量5%、30%、50%土壤中PFBA、PFOA、PFDA、PFOS、FOSA在电动力学（EK）和液压梯度（HG）下的迁移效果，发现短链PFAS（如PFBA）在EK和HG下均高效迁移，而长链或高吸附性PFAS（如PFOS）迁移受限。EK因电渗流更适用于低渗透性土壤，HG在有机质高时效果提升，但两者对强吸附PFAS均有限。需结合分子结构特性与土壤成分优化治理策略。
阿尼尔班·杜利亚（Anirban Dhulia）| 查贝尔·阿布-哈利勒（Charbel Abou-Khalil）| 卡利德·穆斯塔法（Khalid Mustafa）| 迪比延杜·萨卡尔（Dibyendu Sarkar）| 米歇尔·C·布法德尔（Michel C. Boufadel）
美国新泽西理工学院土木与环境工程系自然资源中心，新泽西州纽瓦克，07102
摘要
全氟和多氟烷基物质（PFAS）由于其化学稳定性、结构多样性以及对土壤成分的强亲和力，给修复工作带来了重大挑战。这些特性使得它们从受污染的土壤中迁移出来变得复杂，因此需要针对特定化合物采取相应的处理方法。本研究选择了五种PFAS化合物（PFBA、PFOA、PFDA、PFOS和FOSA），以探讨分子结构（包括链长和官能团的变化）对修复效果的影响。实验采用了电动力学（EK）修复和水力梯度（HG）处理技术，分别处理含有5%、30%和50%有机质（OM）的土壤。结果表明，PFAS的去除效果受到其分子结构的显著影响。EK和HG技术都能有效迁移短链PFAS，因为这些化合物在孔隙水中更具流动性；然而，迁移长链或吸附能力更强的PFAS则更具挑战性。由于水力梯度作用更强，这些化合物对HG技术的响应更好，可能需要结合EK和HG技术才能实现有效迁移。总体而言，由于PFOS、FOSA和PFDA对土壤有机质的强吸附作用，无论采用哪种处理方法，它们的迁移效果都较为有限，这限制了它们的电动力学和水力传输。这些发现强调了需要根据PFAS的物理化学性质和土壤成分来制定相应的修复策略，以提高现场修复效率。
引言
全氟和多氟烷基物质（PFAS）在环境中具有高度持久性（Cousins等人，2020年），导致了广泛的污染（Hamid等人，2023年）。PFAS对人类健康和生态系统的影响引发了严重关切（Hamid等人，2023年；Monograph，2016年；Panieri等人，2022年；Singh等人，2023年），主要是因为它们在土壤和地下水中的流动性（Singh等人，2023年；Xing等人，2023年）。受PFAS污染的介质（尤其是土壤）的修复面临重大挑战（Charbel Abou-Khalil等人，2022a,b；Ambaye等人，2022年；Travar等人，2021年）。热破坏、化学氧化、超声处理和固定化等修复技术是目前广泛用于处理PFAS污染土壤的方法（Garg等人，2023年；Juriasingani等人，2024年；Kang等人，2023年；Wiegand，2023年）。然而，这些技术在长期稳定性、渗出性、成本效益以及现场应用可行性方面的有效性仍不确定，需要进一步研究（Kang等人，2023年；Longendyke等人，2022年）。
最近，基于迁移的技术如水力梯度（HG）和电动力学（EK）修复技术已成为处理PFAS污染土壤的有希望的替代方法（Abou-Khalil等人，2023年；Charbel Abou-Khalil等人，2022a,b；Dhulia等人，2024年；Ganbat等人，2022年；Ganbat等人，2023年；Grimison等人，2023年；Niarchos等人，2022年；Usman等人，2024年）。HG修复主要通过孔隙水的对流作用迁移污染物，其中施加的水力梯度使溶解的PFAS随孔隙水一起移动（图1）（C Abou-Khalil等人，2022a,b；Ji等人，2021年）。因此，在水力梯度条件下，PFAS的迁移能力受水溶性及土壤-水分配行为的强烈影响。短链PFAS由于吸附较弱且流动性较高，更容易迁移；而长链PFAS由于在土壤有机质中的吸附较强，迁移受到较大阻碍，导致去除效果有限。相比之下，EK修复通过在土壤中施加低强度直流电来诱导多种传输机制，包括离子型PFAS的迁移、电渗流以及带电胶体的电泳运动（图1）（C Abou-Khalil等人，2022a,b）。这些过程使得即使在渗透性较低的土壤中也能实现PFAS的迁移。
基于EK的有机污染物迁移技术已得到广泛研究（Cameselle和Gouveia，2018年；Saichek和Reddy，2005年）。Ji等人（2020年）在二维系统中研究了使用EK和水力梯度去除土壤中的正十六烷，并取得了令人满意的结果。Jyalakshmamma等人（2021年）在富含粘土的土壤中进一步评估了EK的效果，18天内实现了80%的去除率，显著优于水力梯度处理（52%），这凸显了EK在低渗透性土壤中的有效性，因为电场作用增强了污染物的迁移。
Abou-Khalil等人（2023年）使用EK和水力梯度研究了不同粘土含量（5%、25%、50%和75%）土壤中PFOA和PFOS的迁移情况。随着粘土含量的增加，EK的去除效率提高，PFOA的去除率从5%粘土时的20%上升到75%粘土时的80%，这可能是由于电渗流作用的增强。相反，水力梯度的去除效率随着粘土含量的增加而降低，主要是由于渗透性的降低。Dhulia等人（2024年）评估了不同有机质含量土壤中PFOA和PFOS的去除情况。EK在所有土壤中均能稳定去除约80%的PFOA，而PFOS的去除率随着有机质含量的增加从14%上升到60%。对于这两种化合物，水力梯度的去除效率在较高有机质含量时有所提高，达到80%的去除率。
尽管取得了这些有希望的结果，但EK和水力梯度的有效性可能取决于目标PFAS化合物的化学性质。PFAS包含多种分子结构，这些结构在链长、官能团和离子形式上存在差异，这些因素直接影响它们的迁移性、水溶性和吸附行为（Abou-Khalil等人，2022a；Bolan等人，2021b；Feng等人，2024年）。影响迁移的关键化学参数包括分子量、疏水性、水溶性和分配行为（Charbel Abou-Khalil等人，2022a；Bolan等人，2021a, 2021b；Leung等人，2023年）。
在本研究中，我们探讨了PFAS的化学特性对其通过EK和水力梯度在含有不同有机质含量土壤中迁移的影响。为此，我们评估了（1）链长（例如PFBA、PFOA和PFDA）和（2）官能团（例如PFOA、PFOS和FOSA）的影响。我们还评估了有机质含量对PFAS吸附的影响，因为有机质可能在土壤基质中形成复合物，从而影响PFAS的解吸（Dhulia等人，2024年；Jeon等人，2011年；Y. Qi等人，2022b；Xing等人，2023年）。这些复合物可能通过改变PFAS的溶解度或化学形态来增强其迁移性（Jeon等人，2011年；Liu等人，2022年；Y. Qi等人，2022b），从而促进解吸和后续迁移。理解这些相互作用对于优化基于迁移的修复方法和提高受污染土壤中PFAS的去除效率至关重要。
标准与化学品
全氟丁酸（CAS编号：375-22-4）、全氟辛酸（CAS编号：335-67-1）、全氟癸酸（CAS编号：335-76-2）和全氟磺酸钾盐（CAS编号：2795-39-3）购自美国新泽西州的Sigma-Aldrich公司。全氟辛烷磺酰胺（CAS编号：754-91-6）购自美国新泽西州的Thermo Scientific Chemicals公司。这些PFAS化合物的性质见表1。PFAS标准品、天然PFCAs和PFSAs溶液/混合物（PFAC-MXA）、全氟-1-辛烷磺酰胺
吸附等温线
通过比较三种不同有机质含量土壤中的平衡吸附等温线来评估PFAS的吸附情况。图2、图3和图4分别展示了五种选定PFAS化合物在5%、30%和50%有机质含量土壤中的吸附等温线。Langmuir和Freundlich等温线用于描述PFAS土壤系统中的最大吸附容量和非线性吸附行为，其中Freundlich等温线在环境相关条件下提供了更准确的描述
结论
本研究结果表明，PFAS通过EK和水力梯度处理的迁移效果受特定化合物的分子特性控制，尤其是链长和官能团。
化合物特定的趋势：
•PFBA在EK和水力梯度作用下几乎完全迁移（>95%），这与它的短链长度、低疏水性和弱吸附性一致。
•PFOA在所有有机质含量和两种处理方式下都显示出最高的去除效率（约55–60%），这归因于其完全的阴离子性质
CRediT作者贡献声明
阿尼尔班·杜利亚（Anirban Dhulia）：撰写——初稿、可视化、验证、调查、数据管理、概念构思。查贝尔·阿布-哈利勒（Charbel Abou-Khalil）：撰写——审稿与编辑、验证、概念构思。卡利德·穆斯塔法（Khalid Mustafa）：调查、数据管理。迪比延杜·萨卡尔（Dibyendu Sarkar）：撰写——审稿与编辑、验证、概念构思。米歇尔·C·布法德尔（Michel C. Boufadel）：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：鉴于米歇尔·布法德尔博士担任副主编的角色，他未参与本文的同行评审，也未获取任何有关同行评审的信息。本文的编辑工作完全由另一位期刊编辑负责。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的相关利益
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