你家的自来水里，可能藏着一种“喝进去就排不出来”的化学物质？全氟和多氟烷基物质（PFAS）因极强的稳定性被称为“永久化学物质”，广泛存在于不粘锅、食品包装和消防泡沫中。2024年美国EPA将饮用水中PFAS限值从70 ng/L骤降至4 ng/L，而我国部分地区饮用水中也检出PFAS超标。传统处理工艺中，活性炭是常用的“清道夫”，但对短链PFAS（如PFBA）吸附效率不足0.12 mmol/g，几乎成了“漏网之鱼”。近日，清华大学环境学院团队在《Frontiers of Environmental Science & Engineering》发表综述，系统阐述了活性炭的“升级改造”技术，通过表面工程和机制创新，将短链PFAS去除效率提升15倍，为破解“永久化学物质”难题提供新方案。

PFAS污染：看不见的“水中幽灵”

PFAS的可怕之处在于其碳-氟键的超强稳定性——自然环境中降解半衰期长达数千年，进入人体后会累积引发肝癌、甲状腺疾病等。2023年《柳叶刀》研究显示，全球98%的人体内可检出PFAS。传统活性炭吸附技术对长链PFAS（如PFOA、PFOS）效果尚可，但对短链PFAS（如碳链长度＜6的PFBA）却“束手无策”。

“短链PFAS就像‘小泥鳅’，传统活性炭的孔隙太大抓不住，表面亲水性又让它容易被水分子‘挤走’。”研究团队解释，这导致处理后水中短链PFAS浓度仍高达10–50 ng/L，远超新国标要求。

活性炭的“三大改造术”

为让活性炭变身“高效捕氟器”，研究团队总结了近年来的关键技术突破：

1. 表面“穿新衣”：从“亲水”到“疏水”
通过高温去功能化处理，去除活性炭表面的羧基、羟基等亲水基团，就像给活性炭穿上“疏水外衣”。实验显示，这种改性使短链PFAS（PFBS）吸附容量提升27%，且抗干扰能力增强——在天然有机物（NOM）存在时，吸附效率仅下降5%，而未改性活性炭会下降30%。

2. 孔隙“量身定制”：0.7 nm的“分子筛”
利用蒸汽扩孔技术，将活性炭微孔直径精准控制在0.6–1.1 nm（短链PFAS分子直径的2–3倍），形成“水限制纳米孔”。这种孔隙中的水会变成“异常水”——介电常数降低，就像“减小了水分子的排斥力”，使PFBA吸附容量从0.12 mmol/g飙升至1.81 mmol/g，是传统活性炭的15倍。

3. 电荷“搭便车”：正负相吸抓得牢
引入季铵盐等正电荷基团（氮功能化），让活性炭同时具备疏水作用和静电引力。数据显示，氮改性活性炭对长链PFAS（PFOS）的吸附容量达3.3 mmol/g，是未改性的3倍，且在高盐水中仍保持稳定——解决了传统活性炭“遇盐失效”的难题。

新机制：纳米气泡“助攻”，短链PFAS无处逃

除了材料改性，研究还揭示了两种“隐形助攻”机制：当活性炭表面存在纳米气泡时，会形成气-液界面，就像“铺了一层疏水红毯”，让PFAS的疏水尾更容易“躺平”吸附；而水限制纳米孔中的“异常水”则消除了短链PFAS的传质阻力，使其吸附速率提升2倍。

“这就像抓小偷，不仅要让捕手更强壮（材料改性），还要让小偷跑不动（机制优化）。”团队形象比喻。

现实应用：还需跨过三道坎

尽管技术突破显著，实际应用仍面临挑战：首先，短链PFAS中的“顽固分子”三氟乙酸（TFA）仍难以去除，现有技术效率不足30%；其次，改性活性炭成本比商用树脂高30%–40%，大规模应用受限；最后，热再生需175–475°C高温，可能破坏活性炭结构，而溶剂洗脱会产生有机废液。

研究团队指出，未来需开发“分子筛分”型活性炭，结合AI优化孔隙和表面基团，同时探索微波再生、生物降解等绿色再生技术。

来源: FESE Message