近日，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院羅金明副研究員在《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表了題為“Amphipathic fluoroamine-functionalized hydrogels for enhanced selective removal of anionic pfas from water”的研究論文。該研究通過“季銨鹽-氟鏈”雙功能位點(diǎn)協(xié)同與多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS，俗稱 “永久化學(xué)物”）的高效、廣譜、穩(wěn)定去除，更成功落地公斤級(jí)量產(chǎn)與pilot規(guī)模應(yīng)用，為水體PFAS污染治理提供了綠色可持續(xù)的解決方案。

研究簡(jiǎn)介

       全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）是一類具有顯著生物生態(tài)毒性的持久性人造化學(xué)品，其安全經(jīng)濟(jì)治理已成為環(huán)境領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。過去十年間，研究主要集中于水體中長(zhǎng)鏈PFAS的去除。隨著全球?qū)FAS生產(chǎn)、使用及貿(mào)易監(jiān)管政策的演變，工業(yè)應(yīng)用正呈現(xiàn)從長(zhǎng)鏈向短鏈及支鏈PFAS的轉(zhuǎn)變。盡管如此，受技術(shù)限制，長(zhǎng)鏈PFAS在紡織印染等行業(yè)仍不可替代，導(dǎo)致水體中PFAS污染呈現(xiàn)長(zhǎng)鏈、短鏈與支鏈共存的復(fù)雜體系，濃度范圍跨越納克/升至微克/升量級(jí)。針對(duì)混合鏈長(zhǎng)PFAS污染，吸附與膜分離被視為最有效技術(shù)，其中吸附法因可定制的選擇性與富集性能更具應(yīng)用前景。現(xiàn)有吸附劑（如活性炭、樹脂及新型材料）主要依賴尺寸排阻、疏水作用及氫鍵等機(jī)制，但這些作用易受靜電排斥、π-π堆積及分散相互作用等干擾，導(dǎo)致吸附動(dòng)力學(xué)遲緩、容量受限及選擇性欠佳。此外，解吸速率慢、洗脫劑用量大及再生頻繁等問題進(jìn)一步制約其實(shí)際應(yīng)用。因此，開發(fā)能高效去除PFAS且實(shí)現(xiàn)快速低成本解吸的新型實(shí)用吸附劑，對(duì)推進(jìn)可持續(xù)水處理技術(shù)至關(guān)重要。為滿足嚴(yán)格的水體保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，亟需開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的PFAS處理方案。

圖文導(dǎo)讀

       團(tuán)隊(duì)基于 PFAS“陰離子頭部 + 氟碳鏈尾部”的兩親結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新提出“靜電-氟親性雙協(xié)同”設(shè)計(jì)，成功合成QFgel水凝膠，其核心優(yōu)勢(shì)藏在兩大關(guān)鍵特征中：（1）精準(zhǔn)匹配的雙功能位點(diǎn)：QFgel 通過自由基共聚工藝，在凝膠基質(zhì)中均勻引入“季銨鹽基團(tuán)+氟代基團(tuán)”：季銨鹽提供持續(xù)正電荷，通過強(qiáng)靜電作用捕獲PFAS的陰離子頭部；氟代基團(tuán)則通過氟氟作用，精準(zhǔn)鎖定PFAS的氟碳鏈尾部。這種“雙手抓牢”的設(shè)計(jì)，讓材料對(duì)PFAS的選擇性高達(dá)95%以上，完美規(guī)避其他污染物的干擾。（2）高效傳質(zhì)的多孔網(wǎng)絡(luò)：對(duì)比傳統(tǒng)季銨鹽水凝膠的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，QFgel 呈現(xiàn)互穿多孔形態(tài)，兼具微米級(jí)通道（2.01-3.68 μm）和介孔（2-24nm），就像布滿“快速通道”的海綿，大幅降低PFAS擴(kuò)散阻力，為高效吸附奠定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。同時(shí)，材料加入纖維素納米纖絲增強(qiáng)機(jī)械性能，可耐受水流沖擊與酸堿環(huán)境，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖1 凝膠合成與表征

       實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，QFgel的PFAS去除性能實(shí)現(xiàn)多維度突破，核心指標(biāo)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料：吸附容量創(chuàng)紀(jì)錄：對(duì)PFOS的飽和吸附容量高達(dá)2835 mg/g，是商業(yè)樹脂的數(shù)倍，對(duì)短鏈PFAS、支鏈GenX也能實(shí)現(xiàn)高效捕獲；吸附速率超快速：30分鐘內(nèi)即可達(dá)到吸附平衡，5分鐘內(nèi)對(duì)主要PFAS的去除率已超90%，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)材料的數(shù)小時(shí)甚至數(shù)十小時(shí)；抗干擾能力極強(qiáng)：在自然湖水、自來水等復(fù)雜基質(zhì)中，面對(duì)高濃度共存離子（Cl?、SO?2?等）和溶解有機(jī)物（DOM），對(duì)PFOS、PFOA的去除率仍穩(wěn)定在95%以上，而傳統(tǒng)材料去除率會(huì)暴跌30%-90%；循環(huán)再生性優(yōu)異：經(jīng)6次吸附-再生循環(huán)，去除效率無明顯衰減，再生僅需7.4倍體積的鹽-甲醇混合液，脫附效率超96.5%。

       更值得關(guān)注的是，QFgel 能廣譜去除17種PFAS變體，包括長(zhǎng)鏈、短鏈、支鏈及醚類PFAS，分配系數(shù)（logKD）最高達(dá)3.6，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料的性能上限。

圖2 凝膠表征及初步性能

圖3 凝膠對(duì)PFAS去除性能

       團(tuán)隊(duì)通過XPS、二維NMR、DFT計(jì)算等多種技術(shù)，在分子層面揭開了QFgel高效吸附的奧秘：靜電作用是“主力抓手”：季銨鹽基團(tuán)的正電荷與PFAS陰離子頭部形成強(qiáng)靜電吸引，XPS 檢測(cè)到吸附后季銨氮峰發(fā)生明顯位移，證實(shí)兩者緊密結(jié)合；親氟作用是“精準(zhǔn)鎖鑰”：2D NOESY 譜清晰捕捉到QFgel中氟原子與PFAS氟碳鏈的近距離相互作用（F-F接觸），這種匹配性讓材料在復(fù)雜體系中仍能選擇性捕獲PFAS；雙位點(diǎn)協(xié)同增效：DFT計(jì)算表明，靜電與氟親作用的協(xié)同讓PFAS吸附能低至- 0.35 eV，形成穩(wěn)定的吸附復(fù)合物，而單一功能位點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)這種高效結(jié)合。

圖4 PFAS去除機(jī)制研究

       此外，基于氟胺凝膠的PFAS去除技術(shù)具備規(guī)模化應(yīng)用潛力，包括（1）已實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)量產(chǎn)。通過一步溫和反應(yīng)即可制備，量產(chǎn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與性能和實(shí)驗(yàn)室樣品一致，成本可控；（2）撬裝式處理設(shè)備。基于QFgel的pilot級(jí)移動(dòng)式水處理系統(tǒng)，日處理PFAS污染水達(dá)2噸，在符合中國(guó)飲用水標(biāo)準(zhǔn)（GB 5749-2022）下，PFOS 和 PFOA 的處理床體積分別高達(dá)12400BV和9215BV，并且僅需7.4BV脫附劑即可實(shí)現(xiàn)填充柱完全再生；（3）閉環(huán)處理更環(huán)保。再生過程可將 PFAS 富集1633倍，既降低處理成本，又為后續(xù)PFAS降解創(chuàng)造條件，避免二次污染。

圖5小試級(jí)水處理應(yīng)用驗(yàn)證

主要作者簡(jiǎn)介：

       上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院付開星博士后為論文第一作者，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院羅金明副研究員為通訊作者，其他合作者來自湖南大學(xué)和南方科技大學(xué)