《Chemical Engineering Journal》：A stack capacitive deionization-resin hybrid system for the enrichment and sequential degradation of PFAS during groundwater desalination
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PFAS污染地下水通过MCDI-IER混合系统实现盐分去除与PFAS富集，系统在50次循环中保持稳定，短链PFBA富集因子46.96，长链PFOA近50，经后续降解处理后可回用。
Fuhao Zhou|Zhengheng Yang|Yaorong Liang|Xiaoming Ma|Jinxing Ma|Di He
教育部城市群环境安全与绿色发展重点实验室，广东工业大学生态、环境与海洋学院，广州，510006，中国
摘要
全氟和多氟烷基物质（PFAS）由于其显著的持久性和广泛的应用，在各种水环境中被普遍检测到，尤其是在地下水中。PFAS的存在极大地限制了地下水的再利用。以受PFAS污染的地下水为例，本研究提出了一种混合堆叠膜电容去离子-离子交换树脂（MCDI-IER）系统，用于同时去除盐离子和PFAS，以实现地下水的再利用。在连续运行过程中，MCDI单元在充电阶段有效去除了盐离子，并通过连续短路浓缩了盐溶液，这些盐溶液随后被用于离子交换树脂的再生。与此同时，IER能够有效且选择性地捕获PFAS，同时与盐离子的相互作用最小，导致PFAS逐渐在树脂基质中积累。定期控制的树脂再生过程释放出浓缩的PFAS负载，以便后续进行针对性降解。令人惊讶的是，该混合系统在超过50个循环后仍表现出稳定的运行性能，保持了持续的脱盐效果和PFAS富集效率。处理后的水始终符合再利用所需的盐度标准；短链PFAS（PFBA）和长链PFAS（PFOA）的富集因子分别约为46.96和近50.00，证实了PFAS的有效积累。浓缩的PFAS可以通过紫外线/亚硫酸盐光还原或电氧化（EO）工艺进一步去除。在最终的降解阶段，对比分析表明，在两种降解系统中，长链PFOA的反应性更高，降解速度更快，这可能是由于其更高的电子亲和力和疏水相互作用。这些发现证明了MCDI-IER混合工艺在脱盐性能上的稳健性，同时实现了PFAS的有效富集和后续高效降解，为同时脱盐和修复受PFAS污染的地下水提供了一条可扩展的途径。
引言
全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类持久性和毒性很强的人为污染物，由于其在工业和商业上的广泛应用，在各种水环境中被广泛检测到[1]，[2]。鉴于其与发育毒性和免疫系统紊乱的明确关联[3]，这种污染对周边地区构成了严重威胁，尤其是那些依赖地下水作为主要饮用水来源的地区[4]。因此，从地下水中有效去除PFAS至关重要。然而，大量地下水以微咸水的形式存在，其中含有高浓度的溶解盐[5]，[6]。地下水的复杂基质会显著影响PFAS处理技术的效率。此外，长期饮用高氯化物浓度的水可能导致不良健康影响[7]。综上所述，迫切需要能够同时去除盐和PFAS的技术。
从地下水中去除PFAS仍然是一个关键挑战，已经采用了一系列处理技术，包括去除（吸附、膜过滤、离子交换）和破坏（电化学氧化、高级还原工艺和等离子体处理）[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]，[26]，[27]。然而，由于地下水基质的复杂性和PFAS浓度非常低（例如从ng L?1到μg L?1），大多数现有技术难以保持长期的稳定性和效率[8]，[9]，[28]。此外，单独处理如此低浓度的PFAS会导致高昂的运营成本和较低的总体效率。为了克服这些障碍，人们越来越认识到先浓缩微量PFAS再对其进行针对性破坏是一种关键策略，其中离子交换树脂（IER）因其出色的稳定性、吸附能力和可再生性而特别值得关注，使其成为在破坏性处理前高效浓缩PFAS的有希望的选择[11]，[15]。为了克服IER在复杂地下水条件下去除PFAS的局限性，并同时实现脱盐，提出了一种结合膜电容去离子（MCDI）和离子交换树脂（IER）的集成方法。电容去离子（CDI）技术作为一种新兴的脱盐解决方案，在水处理过程中得到了广泛应用[29]。由于其高离子去除效率、低能耗和环境兼容性[30]，[31]，CDI非常适合集成到多阶段处理系统中。因此，将CDI与IER结合使用提供了一种协同解决方案，不仅可以选择性富集PFAS，还能实现同时脱盐，从而在一个混合过程中解决两个关键挑战。
本研究首次提出了结合膜电容去离子（MCDI）和离子交换树脂（IER）的混合工艺，用于处理受PFAS污染的地下水，旨在同时实现脱盐、PFAS富集并确保后续的PFAS降解。如图1所示，该工艺包括五个主要步骤：（1）吸附，从受污染的地下水中去除微量PFAS和盐离子；（2）电极再生，通过短路（即直接连接正负电极）来再生电极；（3）树脂再生，期间树脂得到再生并释放浓缩的PFAS；（4）蒸馏，从树脂再生剂中回收甲醇；（5）降解，对浓缩的PFAS进行针对性破坏。最后，本研究创新性地引入了一种资源回收策略（如图1中的回收过程所示），通过两步再生和蒸馏来回收盐和有机溶剂，以便后续的树脂再生。
试剂和材料
本研究中使用的试剂的详细信息（包括制造商和纯度）在补充材料的S1部分提供。
仪器
溶液中的盐浓度使用DDS-307A电导率仪（Leici，上海，中国）进行测量。PFAS的定量分析通过HPLC（Agilent 1260）与三重四极杆质谱（MS/MS，SCIEX QTrap 5500）联用进行。甲醇含量的测定使用智能多参数消化法完成。
电极表征
使用SEM观察了原始碳布和涂层碳布的表面形态（图3a和b）。原始碳布表现出典型的纤维结构，而涂层碳布在100 μm尺度上显示出丰富的碳颗粒。这些颗粒的堆积丰富了碳布的孔结构，为电双层形成提供了额外的位点。EDS分析进一步揭示了两种碳布的元素组成。
结论
本研究构建了一种堆叠的MCDI-IER混合系统，用于同时从地下水中去除盐和PFAS。为了评估系统在不同条件下的运行稳定性和处理性能，选择了两种具有不同链长的代表性PFAS化合物PFOA和PFBA作为模型污染物，每种情况进行了50个循环的实验。结果表明，PFBA的去除效果略低于PFOA，其富集因子分别为
CRediT作者贡献声明
Fuhao Zhou：撰写——原始草案，研究，数据管理，概念化。
Zhengheng Yang：方法学，研究。
Yaorong Liang：研究，数据管理。
Xiaoming Ma：研究，数据管理。
Jinxing Ma：撰写——审阅与编辑，验证，研究。
Di He：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。
