综述：在无溶剂固体介质中对全氟和多氟烷基物质的机械化学降解：一种绿色的修复策略

《Journal of Environmental Sciences》：Mechanochemical destruction of per- and polyfluoroalkyl substances in solvent-free solid media: a green remediation strategy

　　

胡俊|杨晓飞|李学强|严峰|苏国东|程海翔|陈晨|余建明|强志民

浙江工业大学环境学院，中国杭州310000

摘要

全氟和多氟烷基物质（PFAS）的结构多样性，加上对深度脱氟的严格要求以及巨大的材料和能源需求，给破坏性PFAS处理技术的实施带来了相当大的挑战。无溶剂的机械化学破坏方法通过将PFAS与反应剂在足够的机械能输入下直接共同研磨来实现PFAS的脱氟，提供了一种有前途的替代方案。这种方法的有效性基本上受到三个关键因素的影响：(1) 机械化学设备的类型，它直接决定了机械力的强度和能量利用效率；(2) 材料所接收的能量输入量，这与反应进程密切相关；(3) 共研磨剂的选择，它对PFAS处理的广谱适用性和脱氟效率有着至关重要的影响，必须综合考虑成本因素。与传统的处理方法相比，机械化学破坏方法在实现广谱脱氟和固态矿化途径方面具有显著优势，并且对溶剂的依赖性更低。随着能源优化和系统设计的持续进步，这项技术越来越多地被视为一种可行且可持续的PFAS破坏策略，代表了处理这些持久性环境污染物的重大突破。本综述系统总结了通过机械化学方法处理PFAS的核心条件和关键挑战，其中球磨法是主要的研究方法。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是广泛应用于消费品和工业过程中的合成化学品（Park等人，2024年；Wang等人，2024a年；Zhang等人，2016年）。由于其广泛的用途，PFAS已经在全球范围内扩散到水生系统、土壤和大气中，途径包括产品生命周期排放、垃圾填埋场渗滤液、残留的消防泡沫污染以及工业废水处理不足（Goswami等人，2025年；Michaud等人，2025年；Ríos-Bonilla等人，2024年；Tokranov等人，2025年）。与塑料类似，PFAS由于含有氟碳链而表现出显著的持久性，这赋予了它们出色的化学稳定性和抗生物降解性（Goswami等人，2025年；Mauge-Lewis等人，2025年；Ríos-Bonilla等人，2024年；Wang等人，2025年）。尽管法规已经涵盖了全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸盐（PFOS）（Glass等人，2025年；Zhang等人，2016年），但新兴的替代化合物的生态毒性尚不确定，导致PFAS污染问题未能得到彻底解决（Ghorbani Gorji等人，2024年；Ríos-Bonilla等人，2024年；Sadia等人，2023年）。因此，开发具有广谱适用性和完全脱氟能力的处理技术对于解决PFAS污染问题至关重要。值得注意的是，部分脱氟可能会产生较短链的PFAS或有毒的氟化中间体，从而加剧环境危害（Albers和Sültenfuss，2024年）。

图1、2、3、4、5、6、7。

目前的PFAS修复策略分为两类：分离方法和破坏方法。分离方法如吸附、离子交换和膜过滤可以通过物理化学过程浓缩PFAS（Boo等人，2018年；Fang等人，2021年；Fu等人，2024年；Xiao等人，2017年），但这些方法仍然存在固有的环境风险（Rahman等人，2014年；Vakili等人，2024年）。溶液相破坏方法（如水合电子（e^?_aq）还原、电化学氧化、碱性热处理）的脱氟效率有限，且由于高能耗而难以大规模应用（Bentel等人，2019年；Gu等人，2016年；Park，2009年；Tri等人，2025年；Wu等人，2019年）。虽然固相焚烧可以快速降解PFAS，但它有可能产生有毒副产品并且需要大量的能量。因此，迫切需要成本效益高、能够确保完全脱氟和无毒副产品的处理技术。机械化学破坏方法具有独特的优势：该方法不需要溶剂，仅通过研磨过程中的机械能输入就可以引发化学反应来降解PFAS。与焚烧相比，它在较低温度下运行且输出结果可预测，显示出很强的实际应用潜力（Gobindlal等人，2022年；Wang等人，2019年；Zhang等人，2013年）。

机械化学技术在解决传统PFAS修复方法的多方面局限性方面显示出巨大的潜力。本文探讨了制约传统PFAS处理技术的主要挑战。(i) 完全矿化需要多步骤的脱氟过程，这通常会产生挥发性氟化气体和短链PFAS中间体（Albers和Sültenfuss，2024年；Bentel等人，2019年）。机械化学解决方案包括在研磨过程中调节活性物种以优化矿化途径，并提高活性物种的利用率以改善脱氟效率（Hu等人，2023年；Wang等人，2019年；Yang等人，2025b）。(ii) 结构多样性（如功能基团、链长、取代基）阻碍了广谱处理的效果。值得注意的是，虽然羧酸型PFAS（PFOA）容易降解，但磺酸型（PFOS）的降解难度较大（Trang等人，2022年；Wang等人，2019年）。对于C₄同系物，由于其活化能较高，脱氟效率会显著下降（Bentel等人，2019年）。先进的机械化学系统现在能够同时降解多种PFAS结构（Hu等人，2023年；Yang等人，2025a，2025b）。(iii) 能源消耗仍然是主要的可扩展性限制，如何提高大型设备的能量利用率以及如何通过优化设备结构和工艺参数来减少单位处理能耗仍是工程应用中的关键问题。机械化学有很多分支，本文重点关注球磨法，并系统探讨了其在PFAS处理中的关键挑战和优化策略，以为该技术的工程应用提供理论支持。

章节片段

机械化学——激活固体的方法

机械化学的概念最早由Ostwald在1891年提出（Boldyreva等人，2013年）。这种方法与热化学、电化学和光化学过程有根本的不同，因为它利用机械能来引发固态反应（Beyer等人，2005年）。在溶液相反应中，化学物种在溶剂中自由移动，从而促进分子相互作用。相比之下，由于固体具有固定的晶格结构，限制了物种的活动性，导致...

机械化学反应装置

机械化学中的机械力主要包括剪切力和冲击力。剪切力来源于颗粒间的滑动摩擦，而冲击力则是由于高速碰撞产生的瞬态高能脉冲（Tole等人，2019年）。有效的机械化学反应装置必须结合这两种力，以确保在无溶剂条件下实现颗粒的均匀分散和足够的活化能量。球磨机就是一个典型的例子（Michalchuk等人，2014年）。

PFAS的资源利用和解毒共研磨策略

仅靠球磨 insufficient for pollutant degradation, 因为需要共研磨剂来引发降解反应。大多数共研磨剂是离子化合物（由带电粒子组成的物质）或金属固体，它们可以促进颗粒间的电荷转移，这是降解的关键。高能球磨可实现试剂和污染物的完全固相均匀化，而且这个过程不涉及液相。

氟转化的安全评估

在机械化学PFAS处理中，无机氟的回收通常被用作有机氟矿化的指标（Cagnetta等人，2017年；Gobindlal等人，2022年；Yang等人，2025a）。然而，氟的完全矿化并不一定保证所得无机产品的环境安全性。例如，当使用KOH和K₃PO₄作为共研磨剂时，会产生大量的KF。尽管这反映了有效的...

实际应用和规模扩大进展

最近的研究将机械化学PFAS破坏从实验室规模的行星球磨机扩展到水平球磨机，用于处理受PFAS污染的土壤。早期的水平球磨机研究（1至25升规模）表明，在添加KOH的情况下，PFAS（如6:2FTS和PFOS）在土壤基质中的降解效果显著。这些研究还确定了重要的操作参数，包括土壤湿度、碱剂量和研磨时间，这些因素影响处理效率并指导...

展望

一个优化的机械化学PFAS降解系统需要三个关键组件：(i) 足够的能量输入以确保完全反应；(ii) 适当设计的研磨设备；(iii) 经济上可行的共研磨剂。研磨设备的关键在于决定单个冲击的动能，该动能必须超过激活阈值，以引发化学键断裂和材料活化（Senna，2017年）。这一依赖能量的过程需要...

未引用的参考文献

(Tanaka等人，2003)

CRediT作者贡献声明

胡俊： 编写——审稿与编辑，监督，概念构思。杨晓飞： 编写——审稿与编辑，撰写原始草案。李学强： 编写——原始草案。严峰： 编写——原始草案。苏国东： 资源获取，资金筹集。程海翔： 监督，资源获取。陈晨： 资源获取，资金筹集。余建明： 资源获取。强志民： 概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：U23A20134）、浙江省市场监督管理局科技规划项目（项目编号：QN2025051）以及衢州市科技创新计划（项目编号：2023K227）的支持。