去除水中PFAS(全氟和多氟烷基物质)的方法汇总

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去除水中PFAS(全氟和多氟烷基物质)的方法汇总全氟和多氟烷基物质(PFAS)是一种由全氟辛酸(PFOA)、全氟辛烷磺酸盐(PFOS)和GenX等化学物质组成的人造化学品。

尽管这类化学品被称为“持久性化学品”(一旦进入人体内便会长期存在而且很难去除),但自20世纪40年代以来,世界各地的工厂却一直在制造和使用它们。

截止到2020年7月,美国50个州中有2200多个场景受到PFAS污染,覆盖到食品包装、家用商品、工作场所、饮用水等各个领域,甚至在生物活体(鱼)中也发现了PFAS。

可见,PFAS是无处不在且难以去除和降解的。

万幸的是,目前已有一些行之有效的解决办法。

1、碳过滤(Carbon Filtration)
从效能水平上看,迄今为止饮用水修复技术中应用最广泛的是颗粒活性炭(Granular Activated Carbon,GAC)。

众所周知,GAC是一种能够有效用于水处理技术的材料,具有广泛性和高效性。

因此,对于已投资建成的污水处理厂来说,GAC材料不需要频繁地更换反应床。

至于GAC对PFAS的去除效果,美国橘县水区(OCWD)也已分别测试了颗粒活性炭、离子交换剂以及新型吸附剂对PFAS的处理性能。

虽然现在GAC技术有着较高效能,但随着技术不断创新以及受到规模经济的影响,GAC可能在未来会被更好的技术所替代。

由于替换滤芯操作十分简单,碳过滤技术在其适用领域中已经得到应用。

目前GAC技术有着很高的效能,但随着技术不断创新以及受到规模经济的影响,未来很可能有更好的技术替代GAC。

图1 颗粒活性炭
2、离子交换树脂(Ion-Exchange Resins)
离子交换(IX)树脂由高孔隙率聚合材料组成,主要包括酸、碱和水不溶性物质组成,构成树脂微珠。

IX树脂包括两大类:分别是阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。

通过对特定PFAS进行树脂介质选择,让IX树脂成为一种具有吸附能力的技术。

虽然IX树脂单位体积树脂成本较高,但是它具有较长的使用寿命、且不需要很大的反应空间,因此,其操作成本并不是很高。

可见,当面对较小反应空间或是移动修复技术这类小规模工艺时,使用IX树脂是一种高效、经济的选择。

对于PFAS,使用IX树脂能够更加有效地去除那些活性炭无法吸附的短链PFAS。

离子交换树脂就像一块强力的小型磁铁,树脂中的阳离子与PFAS 中的阴离子互相吸引,进而从水中吸附并且容纳那些受到污染的材料,以达到去除PFAS的效果。

图2 阳离子树脂
3、等离子体装置(Plasmatron)
美国的一项研究表明,处理化学污染物,与其使用活性炭或反渗透技术过滤,不如将其直接分解。

来自宾夕法尼亚州德雷克塞尔大学研究人员已经研究出了一种称作“等离子体装置(Plasmatron)”技术,这项技术并没有过滤PFAS,而是直接将其分解。

他们认为目前使用如碳过滤这样的过滤方法,仅仅能够收集PFAS,并不能将其破坏分解。

换言之,除非把过滤器置于高温下焚烧,否则使用过的过滤器将成为PFAS的新来源。

这项研究着眼于一个名为“滑动弧等离子体装置”研发,此装置产生了一个旋转的电磁场,能够将水中化学物质分开,这一过程很像“用冰沙搅拌机来做冰沙”。

研究人员称,这个过程需要1 h时间,可去除水中90%以上的PFAS,而它所消耗的能量还没有人们煮一壶开水多。

该研究团队表示,以往关于PFAS等离子体处理方法很难在大型处理设施中推广使用,尼海姆等离子体研究所(Nyheim Plasma Institute)所长Alexander Fridman
博士表示,可以通过调整该技术来处理土壤污染,以实现“PFAS化合物几乎能够完全脱氟”。

4、超临界水氧化(Supercritical water oxidation)
超临界水氧化是一项自20世纪80年代以来一直用于处理难降解化合物的技术。

超临界水氧化技术最早由麻省理工大学(MIT)提出,本质上是在450~600℃的操作条件下,利用超临界水自身特性破坏有机物的一种先进氧化技术。

通过提高超临界水的温度和压强,使之成为特殊状态,该状态能够断开PFAS分子骨架中的碳-氟键,从而破坏PFAS。

通过在闭环现场破坏PFAS实验,证明了该技术具有收集并且破坏水中PFAS 的能力。

Battelle是一个独立的非营利性技术研发组织,该组织最近在密歇根州一座
污水处理厂使用超临界水氧化技术对PFAS进行处理。

通过在闭环现场破坏PFAS实验,证明了该技术具有收集并且破坏水中PFAS的能力。

具体方法是:首先,将受污染废水通过液泵提至本系统,在系统中,废水与混合燃料过氧化氢、异丙醇以及作为中和剂的氢氧化钠相混合;接着,水进入热交换器并进行除盐操作后,在特定的温度和压力下,与氧化剂一同进入反应器,进行超临界水氧化反应以打破PFAS的碳-氟键,最终能够达到破坏PFAS的效果。

5、反渗透(RO)
反渗透(RO)技术以一张能够去除离子、化学品和微沉积物的半透膜而闻名。

其中,像纳滤膜和反渗透膜等高压膜可以有效地去除PFAS,根据美国环保局提供的数据,RO对包括短链PFAS在内的各种PFAS去除率通常能够超过90%。

在该技术中,进水中约有80%能够穿过高压膜后流出,达到净水目的。

反渗透技
术适合城镇居民使用,因为居民需要处理的水体积较小,而且生活污水很容易进行处理,因此,不用过多担心其处理效率等问题。

图3 RO反渗透工作原理。

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