新技术！有效实现PFAS的100%脱氟效果

第一作者：Nanyang Yang ＆ Shasha Yang

 

通讯作者：Yang Yang

通讯单位：克拉克森大学土木与环境工程系

中文标题：压电球磨对 PFAS 化学品和沉积物中的 PFAS 进行无溶剂非热破坏。

英文标题：Solvent-Free Nonthermal Destruction of PFAS Chemicals and PFAS in Sediment by Piezoelectric Ball Milling.

对固体全氟和多氟烷基物质（PFAS）化学品和含有PFAS的固体废物的销毁研究严重滞后于迫切的社会需求。急需开发能够在环境温度和压力下破坏非水 PFAS 的新型处理工艺。在这项研究中，我们开发了一种压电材料辅助球磨（PZM-BM）工艺，其原理是研磨过程中的球碰撞可以激活 PZM，在没有溶剂的情况下产生 kV 级的 PFAS 破坏电位。以典型的 PZM 氮化硼 (BN) 为例，我们成功地证明了固体 PFOS 和全氟辛酸 (PFOA) 在处理 2 小时后完全被破坏并近乎定量 (∼100%) 脱氟。该工艺还用于处理受 PFAS 污染的沉积物。处理 6 h后，21 种目标 PFAS 中约 80% 被破坏。反应机理被确定为 PFAS 的压电电化学氧化和 BN 的氟化的组合。PZMBM 工艺展示了许多潜在的优势，因为多种 PFAS 的降解与官能团和链结构无关，并且不需要腐蚀性化学品、加热或加压。这项开创性的研究为优化 PZM-BM 处理各种富含 PFAS 的固体废物奠定了基础。

 

处理固态 PFAS 的非焚烧方法包括球磨 (BM)、水热液化和碱辅助分解。在这些技术中，只有 BM 可以在常温常压下直接处理固体，无需溶剂。迄今为止，选定的纯 PFAS 化合物（PFOS、PFOA、6:2FTS 等）已被证明可以使用不同的共研磨试剂（CaO、KOH、Al2O3、La2O3、高铁酸盐、过硫酸盐和 SiO2）。KOH 是唯一实现氟转化率约 90% 的共研磨试剂从 PFOS 到 F−。尽管这些开创性的工作奠定了技术基础，但仍必须解决剩余的挑战：(1) KOH 辅助球磨 (KOH−BM) 工艺需要过量的化学剂量，处理后的苛性固体需要修改排放/再利用前。(2) 环境湿度和湿气导致 KOH 粉末结块，从而延迟反应。(3) 大多数研究仅限于处理纯 PFAS 化学品，尽管最近已实施用于处理 PFAS 尖沙和污染土壤。迫切需要替代的共研磨试剂，其在 PFAS 破坏和脱氟方面与 KOH 一样有效，同时消除所有相关的限制。在这项研究中，我们报告了一种突破性的压电材料辅助 BM (PZM-BM) 工艺，该工艺展示了克级固体 PFOS 和 PFOA 的有效破坏和近乎 100% 的脱氟。更重要的是，新工艺在处理 PFAS 污染的沉积物方面取得了良好的效果。

图 1. (a) 压电效应原理。PZM 晶体含有阳离子和阴离子。单元电池的整体电荷是中性的。在机械应变引起的变形时，阳离子向下移动，而阴离子向上移动。正负电荷中心的错位导致晶体晶胞的顶部和底部分别产生负净电荷和正净电荷。(b) BN 在法向力冲击下的压电响应的 PFM 分析。

图 2. (a) PFOA 和 (c) PFOS 的破坏以及短链中间体的形成。球磨处理后 (b) PFOA 和 (d) PFOS 的近定量脱氟。

 

图 3. 使用 BN 作为共研磨试剂时沉积物中 (a) PFCA 和 (b) PFSA/FTS 的破坏曲线。

 

需要强调的是，BN 与许多 PZM 一样，是一种半导体。此前，据报道，BN 在水性光催化反应中对 PFOA 降解具有反应性。然而，没有证据表明 BN 作为光催化剂可以破坏 PFSA（例如 PFOS）。我们在此成功证明了 BM 激活的 BN 可以破坏 PFSA。结果表明，机械化学活化可以赋予 BN 和可能的其他 PZM 比光催化途径更强的氧化还原能力。这项开创性研究的更广泛影响是验证压电 BM 工艺在处理沉积物中的 PFAS 方面的优越性能。该概念验证为后续对其他压电材料的基础研究和处理含 PFAS 的固体废物（土壤、商业产品、吸附剂等）的新应用开辟了各种新途径。

 

文章DOI：10.1021/acs.estlett.2c00902

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.2c00902?goto=supporting-info

 

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