高级氧化法去除水中全氟化合物的研究

高级氧化法去除水中全氟化合物的研究

李卓远

（重庆交通大学 河海学院，重庆 402260）

引言

全氟化合物（Perfluorinated Compounds, PFCs）是一类广泛存在于环境中的持久性有机污染物，因其独特的化学性质和耐热性，广泛应用于工业和消费品中。然而，由于PFCs的高稳定性，它们在环境中难以降解，对生态系统和人类健康构成了潜在威胁。因此，开发有效的去除水中PFCs的技术成为环境科学研究的重要课题。高级氧化法（Advanced Oxidation Processes, AOPs）因其高效降解有机污染物的能力，成为处理PFCs污染的研究热点。本文将综述高级氧化法在去除水中PFCs方面的研究进展。

1.高级氧化法概述

高级氧化法是一种通过产生高反应活性的自由基（如·OH和·SO4-）来降解有机污染物的技术。常见的高级氧化法包括臭氧氧化、光催化氧化、芬顿反应和超声波氧化等。这些方法通过不同的机制产生自由基，进而攻击和降解污染物分子。高级氧化法具有反应速率快、处理效果好和适用范围广等优点，在水处理领域得到广泛应用。

2.高级氧化法去除PFCs的研究进展

2.1紫外线法

通过吸附[1,2]、膜过滤[3]等物理技术可以将PFASs从水中分离、富集，但后续仍需要一些高成本、高耗能、高污染的方法如高温焚烧等进一步处理[4]。相比之下，同样可以直接实现直接去除水中全氟化合物的化学降解技术，因具有更好的去除效果、更低的工艺成本而被广泛关注与研究。在化学降解技术中，基于紫外线的光化学技术，特别是紫外高级氧化技术和紫外高级还原技术，不仅具有环境友好、反应条件温和、易操作等优点，近年来亦被证明在降解全氟或多氟烷基化合物方面具有良好的效果[5]，为控制水中全氟化合物提供了高效的解决方案。

紫外线法通过紫外光照射水体，引发光化学反应。紫外线光源通常包括低压汞灯、中压汞灯及新型的LED紫外灯等。紫外线在照射过程中，能够直接光解部分PFCs分子，同时生成具有强氧化能力的自由基，如羟基自由基和过氧化氢等。这些自由基能够进一步氧化分解PFCs分子，最终将其矿化为CO2、H2O及无机盐。紫外线法一般分为直接紫外线光解法和紫外线/氧化剂联用法。

直接紫外线光解是指通过紫外线直接破坏PFCs的化学键，进而分解PFCs分子。研究表明，PFCs的紫外线光解效率受其分子结构和波长的影响。例如，低压汞灯（主要发射254 nm波长紫外线）对短链PFCs（如PFBA, PFBS）的光解效果优于长链PFCs（如PFOA, PFOS）。中压汞灯（发射200-300 nm波长紫外线）的光解效率则普遍高于低压汞灯。相对于紫外线直接光降解技术，UV-AOPs产生具有强氧化性的自由基，不仅能进一步提高对PFOA和PFOS的降解效率，在降解全氟己酸（PFHxA）、全氟庚酸（PFHpA）等其他中长链PFASs上也表现出了一定的处理效果[6]。根据降解机理的不同，UV-AOPs可以分为以自由基为主降解PFASs的均相UV-AOPs和以光生电子或光生空穴作用于PFASs的非均相UV-AOPs[7]。

2.2光电协同技术

光电协同技术结合了光催化和电化学两种方法的优势，通过光催化剂在光照下生成电子-空穴对，进一步通过电场促进电子和空穴的分离，增加活性自由基的生成量。这些自由基，如羟基自由基（•OH）和超氧自由基（•O2-），具有强氧化性，能够有效破坏PFCs的分子结构，实现其矿化。光电协同催化技术(photoelectrocatalysis, PEC)是一种电辅助光催化的协同技术，也是光电协同技术研究中最热门的方向[8]。PEC体系主要由浸入电解质中的2个电极组成，其中有一个电极负载了具有光催化性能的半导体材料，由导电线把阴阳两极连接起来，形成一个封闭的电路系统[9,10]。为了提高光催化效率，研究人员开发了多种改性TiO2，如掺杂金属离子、表面修饰和与其他半导体复合等。这些改性方法显著提高了光催化剂的活性和稳定性。

3.结论与展望

高级氧化法在去除水中PFCs方面展示了良好的应用前景。不同的高级氧化法及其组合工艺可以有效提高PFCs的去除效率。然而，实际应用中仍存在一些挑战，如自由基的产生效率、氧化剂的投加量和副产物的控制等。未来的研究应着重于优化工艺参数、开发高效催化剂以及探索新的氧化技术，以实现PFCs的高效去除和环境友好型处理。通过不断的技术创新和工程实践，高级氧化法有望成为解决PFCs污染问题的重要手段，为水环境保护和人类健康提供有力保障。

参考文献

[1]DIXIT Fuhar, BARBEAU Benoit, MOSTAFAVI Shadan Ghavam, et al. Efficient removal of GenX (HFPO-DA) and other perfluorinated ether acids from drinking and recycled waters using anion exchange resins[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020, 384: 121261.

[2]LEWIS Asa J, JOYCE Thomas, HADAYA Maher, et al. Rapid degradation of PFAS in aqueous solutions by reverse vortex flow gliding arc plasma[J]. Environmental Science: Water Research & Technology, 2020, 6(4): 1044-1057.

[3]IM SungJu, LEE Hyeonho, RHO Hojung. The fouling layers characteristics of osmotically driven membranes affect transport behaviors of reverse salt permeation and per-fluorinated compounds[J]. Desalination, 2022, 540: 116001.

[4]LENKA Swadhina Priyadarshini, KAH Melanie, PADHYE Lokesh P. A review of the occurrence, transformation, and removal of poly- and perfluoroalkyl substances (PFAS) in wastewater treatment plants[J]. Water Research, 2021, 199: 117187.

[5]UMAR Muhammad. Reductive and oxidative UV degradation of PFAS—Status, needs and future perspectives[J]. Water, 2021, 13(22): 3185.

[6]CHOWDHURY Nusrat, PRABAKAR Srinivas, CHOI Hyeok. Dependency of the photocatalytic and photochemical decomposition of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) on their chain lengths, functional groups, and structural properties[J]. Water Science and Technology, 2021, 84(12): 3738-3754.

[7]张茜,李皓芯,张天阳,等.基于紫外线的高级氧化或高级还原技术降解水中全氟化合物[J/OL].化工进展:1-16[2024-07-08].

[8]吕晨晗,郑灵艺,吉颖辉,王玉芬,刘幸海,程海翔.光电协同技术处理废水中全氟化合物的研究进展[J].绿色科技,2023,25(24):161-167.

[9]Jeon T H,Koo M S,Kim H J,et al.Dual-Functional Photocatalytic and Photoelectrocatalytic systems for energy and resource-recovering water treatment[J].ACS Catalysis,2018,8(12):11542-11563

[10]Koo M S,Cho K,Yoon J,et al.Photoelectrochemical degradation of organic compounds coupled with molecular hydrogen generation using electrochromic TiO₂ nanotube arrays[J].Environmental Science & Technology,2017,51(11):6590-6598.