综述：全氟和多氟烷基物质的吸附去除：从传统多孔材料到金属有机框架和共价有机框架

《Coordination Chemistry Reviews》：Adsorptive removal of per- and polyfluoroalkyl substances: From conventional porous materials to metal-organic frameworks and covalent organic frameworks

PFAS污染治理中新型多孔材料吸附技术研究及性能优化。

　　

赵健|周思宇|李江南|杨思海

北京师范大学化学与分子工程学院，北京100871，中国

摘要2

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类广泛存在的人为环境污染物，由于它们对生态系统和人类健康的潜在长期影响，引起了全球越来越多的关注。历史上含PFAS的水成膜泡沫（AFFF）的使用被认为是主要的污染源，导致包括地表水和地下水在内的水生系统受到广泛污染。吸附作为一种传统的水处理方法，为PFAS的去除提供了成本效益高、操作简单且技术成熟的方式。然而，传统的吸附剂如离子交换树脂、沸石和活性炭通常表现出有限的吸附能力和/或缓慢的吸附动力学。相比之下，新兴的多孔材料——特别是金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）——在PFAS去除效率上取得了显著提升，为PFAS修复技术的发展提供了新的见解。本综述系统地评估了当前通过先进多孔材料去除饮用水和废水中的PFAS的方法及其最新进展。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类含有至少一个完全氟化的甲基（-CH₃）或亚甲基（-CH₂-）碳原子的氟化化合物[1]，[2]。虽然全氟羧酸（PFCAs）和全氟烷基磺酸（PFSAs）已被广泛研究，但目前已鉴定出超过4700种不同的PFAS化合物，包括氟化烷烃、烯烃、醇、羧酸、聚合物衍生物和其他功能化变体[3]（见图1、表1）。PFAS由于具有较高的C-F键能（约110 kcal·mol?¹）[4]，表现出异常的化学稳定性，因此被广泛应用于金属电镀、半导体制造和消费品等领域[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。例如，全氟辛酸（PFOA）是聚四氟乙烯（PTFE，即“特氟龙”）生产中的关键乳化剂，到2000年其年产量约为1000公吨。PFAS含材料的广泛工业使用表明，历史累计产量已超过数百万公吨[10]。

尽管这种稳定性在工业上具有优势，但它使得PFAS在环境中具有高度持久性，从而增加了修复的复杂性[见图1]。PFAS扩散的一个关键因素是PFCAs转化为盐类，这大大提高了其水溶性，从0.1 g/L提高到约3 g/L。因此，这种增强的溶解性促进了PFAS在环境中的传输，并通过土壤吸附和食物链传递导致生物累积和生物放大[3]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]。自20世纪90年代以来的大量研究表明，长链PFAS（如PFOA和PFOS）具有多种不良健康影响，包括致癌性[17]，[18]、神经毒性[19]、免疫毒性[20]，[21]、血脂异常[19]以及内分泌干扰[22]，[23]，[24]，[25]。鉴于其环境持久性和已记录的健康风险，PFOS被列入《斯德哥尔摩公约》附件B（2009年）以限制其使用，随后PFOA也被列入附件A（2019年）以实现全球消除。然而，现有的大量PFAS污染要求开发有效的修复方法，以符合日益严格的饮用水法规[3]。

PFAS的极端化学稳定性严重限制了可行的环境修复策略[26]，[27]。尽管已经探索了催化转化[28]、生物降解[29]，[30]和焚烧[31]等先进处理技术，但它们的实际应用面临挑战，包括能源密集型的操作条件或未优化的工程方案[32]。吸附作为一种成熟的水处理技术，在PFAS去除方面具有三个主要优势：（i）成本效益高；（ii）操作简单；（iii）技术成熟。这种方法特别适用于处理微量PFAS污染的水生系统（通常浓度为ppb到ppt级别）[33]，因为它可以从大量水中有效富集污染物。使用后的吸附剂再生会产生高浓度的PFAS废物流，这些废物流更适合通过先进的降解技术进行完全矿化。这些特性使得吸附成为大规模PFAS修复的一个战略可行解决方案。多孔材料由于其高表面可及性和可调的吸附性能，在污染物捕获方面显示出巨大潜力。本综述系统地评估了使用多孔材料去除PFAS的方法，并提供了优化吸附剂设计的原则。具体来说，我们将：i）评估各种多孔材料对PFAS封存的有效性；ii）分析影响吸附性能的结构-性质关系；iii）制定提高PFAS去除效果的材料设计指南。

部分摘录

活性炭

活性炭（ACs）是一种主要由纯碳原子组成的传统吸附剂，具有高度发达的多孔结构和较大的可接触表面积（通常在500到3000 m²/g之间）。由于其商业可用性、环保性和成熟的应用方案，活性炭已被广泛用于水处理过程中，以去除天然有机物、农药、重金属以及引起味道和气味的化合物[34]。

总结与展望

如所示，多孔材料对PFAS的吸附受到多种因素的影响，包括吸附物的性质、吸附环境以及吸附剂本身的特性。一般来说，具有良好介孔结构的吸附剂能够快速吸附PFAS，同时减少孔隙堵塞。此外，通过引入疏水性并促进静电作用等策略性修改，可以显著提高吸附效率。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了“中国基础与跨学科学科突破”（JYB2025XDXM903）、“新基石科学基金会（XPLORER PRIZE）”、“北京Nova计划”（20240484507和202504841000）以及北京师范大学化学与分子工程学院的支持。我们还要感谢“北京大学化学工程创新中心”的支持。