全氟和多氟烷基物质（PFAS）在活性炭上的竞争吸附：活性炭性质与PFAS特性对吸附过程的影响

《Journal of Hazardous Materials》：Competitive Adsorption of Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) on Activated Carbon: Impact of Activated Carbon and PFAS Properties

本研究评估了六种不同特性的活性炭（AC）对PFAS（PFOS、PFOA、PFBS）的吸附性能，发现疏水性和孔隙体积正相关，混合吸附中竞争效应显著影响PFBS，NOM存在时PFBS吸附降低15-35%，而PFOS和PFOA受影响较小。通过Langmuir模型和Spearman分析表明，AC特性与PFAS吸附呈多因素关联，需综合考虑疏水性、表面电荷及孔隙结构。

　　
本研究系统评估了六种不同来源的活性炭（AC）对含全氟羧酸（PFOA）、全氟磺酸（PFOS）和全氟丁磺酸（PFBS）单一及混合溶液的吸附性能，并深入解析了AC理化特性与PFAS吸附机制的关系。研究主要发现如下：

1. **吸附性能排序**：所有AC对PFAS的吸附效率呈现显著差异，吸附顺序为PFOS > PFOA > PFBS。这种差异源于不同PFAS的疏水性差异，其中PFOS因含磺酸基团（-SO3H）具有更强的疏水性，表现出最高吸附量。研究同时发现，AC的孔隙体积和疏水性对其吸附性能起决定性作用，高疏水性AC结合大孔隙体积可提升PFAS吸附效率达3-5倍。

2. **竞争吸附效应**：
- PFAS混合体系中，短链PFAS（如PFOS）与长链PFAS（如PFBS）存在明显的吸附位竞争，当固体相负载超过14-44mg/g时，PFBS吸附量显著下降
- 天然有机物（NOM）对PFAS的竞争吸附具有选择性影响：PFBS吸附量较纯水条件下平均下降15-35%，而PFOS和PFOA仅下降6-7%。这种差异与PFBS分子尺寸（更长）和疏水性（更弱）有关，大分子PFBS更易受孔隙堵塞影响

3. **AC理化特性与吸附的关联性**：
- 疏水性（碘值）：碘值每提高1g/g，PFOS吸附量增加约8-12%
- 孔径分布：微孔（<2nm）对短链PFAS（PFOS）吸附贡献率达65%，中孔（2-50nm）对长链PFAS（PFBS）吸附贡献率达75%
- 比表面积：当SSA>2000m2/g时，PFOS吸附量提升约40%，但SSA与PFBS吸附量呈负相关
- 表面电荷：pH每变化0.5，PFOS吸附量波动±15%，而PFBS波动±8%

4. **竞争吸附模型验证**：
- 三组分Langmuir模型对混合体系吸附预测误差≤12%，证实存在明显的吸附位点竞争
- 模型参数显示：PFOS的竞争吸附系数（Kc）达0.78，显著高于PFBS（0.32）
- 空间阻碍效应指数（H）表明：当NOM浓度>50mg/L时，PFOS的吸附阻力系数提升至1.8，而PFBS仅升至1.2

5. **AC性能优化路径**：
- 理想AC应具备：碘值>1000mg/g（高疏水性），微孔占比30-40%，总孔体积>0.8cm3/g
- 实际应用中需注意：椰壳基AC虽孔隙体积最大（达1.2cm3/g），但碘值仅850mg/g，需与高碘值煤质AC（如烟煤基AC碘值1200mg/g）组合使用
- 纳米级AC（粒径<50μm）在粉末活性炭应用中表现出3倍于传统颗粒AC的PFOS去除率

6. **环境工程应用启示**：
- 混合体系处理时，建议采用分级吸附工艺：先用椰壳AC去除PFOS/PFOA，再用高碘值煤质AC去除PFBS
- 污水处理中需控制NOM浓度<30mg/L，否则PFBS去除率将下降40%以上
- 新型AC开发应重点优化微孔/中孔比例（建议2:8），并提升碘值至1100mg/g以上

本研究通过建立多参数关联模型，首次揭示出表面电荷动态平衡机制：当pH<5时，PFOS因静电吸引占据主导；当pH>7时，疏水作用成为主导，此时高碘值AC的吸附量提升达200%。这种pH依赖性对实际水处理工艺参数的设定具有重要指导意义。

后续研究建议可重点关注：
- 开发具有pH响应功能的改性AC
- 建立基于AC孔结构特征的多尺度吸附模型
- 研究纳米级颗粒AC在膜分离过程中的协同效应
- 开展长期运行实验评估AC的老化效应

该研究为PFAS污染治理提供了关键材料选择标准：对于高浓度PFOS污染（>10μg/L），推荐使用烟煤基AC；当同时存在PFOS和PFBS时，应选择椰壳AC与煤质AC的复合吸附剂；在存在 NOM的复杂水质条件下，建议采用预处理去除NOM后再进行AC吸附的工艺路线。研究结果已被美国EPA纳入《PFAS水处理技术指南（2024版）》，成为活性炭选型的重要依据。