“喝进去容易，排出来难”——这是全氟和多氟烷基物质（PFAS）的可怕之处。作为不粘锅涂层、食品包装的常用原料，这类“永久化学物质”因碳-氟键极难断裂，已成为全球饮用水污染的隐形威胁。2024年美国EPA将饮用水中PFAS限值骤降至4 ng/L，而我国部分地区饮用水中仍检出PFAS超标。传统活性炭吸附技术对长链PFAS（如PFOA）有效，但对短链PFAS（如PFBA）却“束手无策”。近日，清华大学环境学院团队在《Frontiers of Environmental Science & Engineering》发表综述，系统揭秘活性炭的“升级改造”技术：通过表面工程与机制创新，短链PFAS去除效率提升15倍，为破解“永久化学物质”治理难题提供新路径。

看不见的“水中幽灵”：PFAS为何难除？

PFAS被称为“环境荷尔蒙干扰剂”，可引发肝癌、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的短板在于：短链PFAS分子小（直径0.64–1.1 nm）、水溶性强，就像“小泥鳅”从活性炭的大孔隙中溜走；而活性炭表面的羧基、羟基等亲水基团，又让水分子“挤走”PFAS，导致吸附容量仅0.12 mmol/g，处理后水中短链PFAS浓度仍高达10–50 ng/L。

“就像用渔网捞蝌蚪，网眼太大、网面太滑，根本捞不住。”研究团队形象比喻，这也是全球饮用水处理厂面临的共同困境。

活性炭的“三大变身术”

为让活性炭成为“高效捕氟器”，研究团队总结了近年来的技术突破：

1. 表面“去 hydrophilic 化”：穿上疏水“铠甲”
通过高温氢气处理去除活性炭表面的亲水基团，就像给活性炭穿上“疏水铠甲”。实验显示，这种“去功能化”改性使短链PFAS（PFBS）吸附容量提升27%，且在天然有机物（NOM）干扰下，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“分子牢笼”
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，研究还发现两种“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）。”团队解释，这些发现为设计下一代吸附材料提供了理论支撑。

现实挑战：成本与“顽固分子”待突破

尽管技术显著进步，实际应用仍需跨过三道坎：首先，短链PFAS中的“顽固分子”三氟乙酸（TFA）去除效率不足30%；其次，改性活性炭成本比商用树脂高30%–40%；最后，热再生需175–475°C高温，可能破坏活性炭结构。

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、生物降解等绿色技术。

来源: FESE Message