莱斯大学Nat. Commun.：快速电热矿化—PFAS污染土壤的革命性修复技术
莱斯大学Nat. Commun.：快速电热矿化—PFAS污染土壤的革命性修复技术
全氟和多氟烷基物质（Per- and polyfluoroalkyl substances，PFAS）是一类多样化的人工合成化学品，广泛用于塑料、纺织品、食品包装材料和灭火泡沫中。在过去的半个世纪里，PFAS的大量使用和不规范的废弃物处理，使得其广泛积累在土壤中。进而，通过食物链，PFAS可以在生物体中积累且具有严重的生物毒性。
由于C-F键能高（~485 kJ mol−1）和长半衰期（在土壤中超过100年），PFAS难以通过常规的自然分解或微生物处理有效消除。常规的PFAS处理方法包括吸附剂固化、化学氧化和热处理等。然而，固化的方法利用吸附剂减少PFAS流动性，但并不能降解土壤中的PFAS，土壤中的PFAS仍会造成长期的环境危害。化学氧化和热处理方法会产生大量的废水和废气污染物，对环境造成二次污染，且处理过程会对土壤的性质造成严重的破坏。因此，开发一种高效、经济且通用的方法来修复受PFAS污染的土壤尤为必要。
在热处理过程中利用碱金属或碱土金属离子（如钙离子Ca2+）将PFAS转化为无毒的金属氟化物，这种矿化过程被认为是有效降解PFAS的新方法。基于此，美国工程院院士、美国莱斯大学化学系James M. Tour教授领导的研究团队开发了一种快速电热矿化的新方法。他们利用环保的生物炭作为导电添加剂，通过直流脉冲输入，使污染土壤的温度在几秒钟内迅速升高到1000 ℃以上。同时，在该过程中，借助土壤和生物炭中固有Ca2+，PFAS被矿化为天然存在且无毒的氟化钙（CaF2）。由于该反应在在密封系统中进行，该过程几乎不产生有害的碳氟（CxFy）气体排放。同时，研究发现，该技术可以有效实现多种PFAS的矿化，且同时具有高去除效率（>99.9%）和高氟矿化率（>90%），展示了其广泛的适用性。不同于长时间焙烧的方法，这种快速电热的方法增加了处理后土壤中的可交换营养物质的含量，保持了土壤的粒径、成分和水渗透率，且处理后的土壤适用于动物培养（存活率与清洁原土相当）。作者同时将该方法拓展至公斤级土壤的有效修复，同时有望实现污染土壤的原位修复。生命周期评估显示，REM具有低能耗、无水消耗和极少的温室气体排放，使其成为现有土壤修复技术中具有吸引力的环保替代方案。该工作发表于国际知名期刊Nature Communications，莱斯大学博士后程熠博士、邓兵博士（现清华大学助理教授）为论文的共同第一作者，邓兵博士、莱斯大学James Tour教授和科尔万大学赵玉峰教授为论文通讯作者。
图1 快速电热矿化修复污染土壤的基本过程
图2 快速电热矿化法对于不同种类PFAS矿化的普适性
图3 矿化处理后土壤性质评估
图4 快速电热矿化放量处理污染土壤，以及该过程的生命周期和技术经济分析