《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Surface-Tailored Photocatalytic Nanomaterials and Polymer Composites for per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) Removal: Recent Advances and Insights
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Gokula Krishnan Sivasundari Arumugam|Aswin Kumar Ilango|G. Arthanareeswaran|Hai Minh Duong|Mieczys?aw ?apkowski|Yukesh Kannah Ravi波兰格利维采44-1
Gokula Krishnan Sivasundari Arumugam|Aswin Kumar Ilango|G. Arthanareeswaran|Hai Minh Duong|Mieczys?aw ?apkowski|Yukesh Kannah Ravi
波兰格利维采44-100，西里西亚理工大学有机与纳米混合电子学中心
摘要
全氟和多氟烷基物质（PFAS）来自多种来源，包括塑料、化妆品、家用产品及工业产品。它们会逐渐污染地表水、地下水以及土壤，对生物和环境造成不良影响。全球的研究人员正在探索各种处理方法，如离子交换、吸附、高级氧化工艺（AOPs）和膜过滤，以去除和降解水及废水中的PFAS。其中，吸附与AOP结合的使用最为普遍。本文简要总结了目前基于吸附和AOP的研究成果与面临的挑战，并详细介绍了在紫外线和可见光作用下，利用光催化金属氧化物和金属有机框架（MOF）复合纳米材料去除和降解PFAS的效果。此外，还探讨了通过功能团修饰光催化剂并与其结合聚合物复合材料，以提高PFAS去除和脱氟效率的重要性。
引言
全氟和多氟烷基物质（PFAS），又称“永久性化学物质”，存在于废水和饮用水中。PFAS污染及其带来的威胁促使研究人员和政策制定者致力于降低其对生态系统的潜在危害[1]。这些物质会从工业、城市、医院或农业废水中被释放出来，可通过LC-MS、GC-MS、HRMS、UPLC-MS等先进分析技术进行检测和定量[2]。PFAS是一类广泛应用于消费品和工业产品制造的化学物质，其分子中的氟原子以短键长和高键能与碳骨架相连，因此具有优异的热稳定性和化学稳定性，同时极性较低，还具有疏油和疏水特性。这类物质在环境中能长期存在，且具备生物累积性，可在土壤、水和空气中长距离传输[3]。PFAS属于有毒污染物，会危害生物体；它们可通过化妆品、塑料和其他家用产品等途径进入饮用水、地下水以及湖泊、河流等地表水体中[4]、[5]。
最初，全氟辛酸磺酸和全氟辛酸这两种化合物因对环境造成的严重危害而成为监管机构关注的重点[3]。表1汇总了全球各地不同来源中PFOA和PFOS的含量情况，涵盖欧洲[6]、[7]、[8]、[9]、澳大利亚[10]、美国[11]、拉丁美洲[12]、亚洲[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]以及非洲[22]、[23]。工业化是全球PFAS产生的重要源头，而海洋洋流和海雾则是导致PFAS长距离传输的两大关键途径，使其在全球范围内不断积累和扩散，甚至已出现在北极地区[24]。
根据2022年欧洲水资源政策报告，欧盟境内的湖泊和河流等地表水体中越来越多地检测到PFAS及其衍生物，其含量已超过允许的最大值。人类若饮用或接触被PFAS污染的地表水，可能会面临健康风险。2023年，欧洲化学品管理局通过“REACH”框架，提议全面限制在消费品生产、食品包装材料以及消防泡沫中使用PFAS化合物，以此减少PFAS对人类及其他生物的伤害[25]、[26]。此外，饮用水标准也进行了修订，规定总PFAS的最大允许浓度为0.5μg/L。总体而言，使用传统处理工艺以及其他基于AOP的方法，如紫外线法、臭氧法、芬顿法、声化学法、湿法氧化法等，要有效降低环境中的PFAS浓度仍面临巨大挑战，这些方法还存在诸多局限性，比如无法完全破坏PFAS化合物，需要较高能量，矿化程度不足，且对C–F键的断裂选择性较差[27]。不过，通过对光催化纳米材料以及基于聚合物的复合材料进行功能团修饰，可以调节其能带隙，改善电荷分离效果，增强光吸收能力，提升其对PFAS的亲和力，从而实现吸附与催化降解的协同作用。此外，还可以引入过氧化氢和过硫酸盐等强氧化剂，进一步增强光催化AOP工艺的作用，生成能够断裂PFAS结构中高度稳定的C-F键的活性氧物种[28]。
本文详细介绍了多种用于可持续去除PFAS的处理技术，包括吸附、光催化降解和膜分离，以及所使用的各类纳米复合材料和经过表面修饰的聚合物。同时，本文也指出了当前研究中的空白之处，并提出了PFAS治理技术未来的发展方向。图1展示了过去十年间全球发表的关于上述PFAS去除处理技术的研究论文总数，这些数据来源于2015年至2025年期间被Scopus收录的文献。尽管针对PFAS治理的研究数量有所增加，但现有的综述文章在综合分析方面仍有不足，往往分别探讨紫外线/可见光驱动的光催化剂和基于MOF的光催化剂，以及吸附法和膜分离法，缺乏将二者相结合的研究。尤其缺乏能够同时评估PFOA和PFOS的光催化剂的性能与降解机制，以及经表面工程处理的天然聚合物吸附剂和合成聚合物膜的吸附效率的综合性研究。此外，对于TiO2、ZnO、含铁和含铋体系等商用光催化剂及掺杂光催化剂的比较研究也相对不足，尤其是在不同操作条件下的作用机理方面。同样，关于纳米粒子、聚合物和表面活性剂对聚合物吸附剂和膜性能的影响，以及其与光催化系统协同作用的研究也还不够深入。
本文的主要目的是探讨基于金属的光催化纳米复合材料（钛、铁、锌、铋）、金属有机框架以及经过表面改性的天然聚合物-金属氧化物复合材料在PFAS去除和降解方面的最新进展。同时，本文还将简要介绍水中PFOS和PFOA的含量特征，天然聚合物的作用，以及光催化纳米复合材料的浓度和pH值对从合成废水、饮用水、表面物质和地下水中去除PFOS和PFOA的吸附和降解过程的影响。
章节节选
土壤
有研究表明，土壤中的矿物质和盐分会影响土壤的地球化学性质，改变其离子组成，从而提高PFAS的吸附概率。此外，还有两种主要机制加速了PFAS在土壤中的吸附：一是土壤中的有机碳与PFAS中的氟化碳之间的疏水相互作用，二是带正电的土壤矿物质与PFAS中带负电的功能基团之间的静电相互作用[29]。长链
用于PFAS去除的表面改性金属基纳米粒子
在过去的1.5年里，基于金属氧化物和MOF的纳米粒子，以及用于降解新兴污染物的光催化技术，在水与废水处理领域受到了越来越多的关注。图4介绍了多种金属氧化物纳米粒子用于去除水中PFAS的情况及其优缺点。近年来，全球范围内开展了大量研究，旨在降低水中“永久性化学物质”PFAS的危害
用于PFAS去除的表面改性聚合物和光催化纳米复合材料
传统的光催化方法在降解PFAS时存在诸多问题，比如只能部分矿化PFAS，需要较高的活化能，且催化剂的回收和再利用难度较大。近期，研究人员提出了多种替代策略，以提升水中PFAS的降解和去除效率。使用经过表面改性的聚合物基光催化剂可能是一种更好的解决方案，因为它不仅能提高吸附速率，还能延长催化剂使用寿命，便于催化剂的
工业应用与面临的挑战
由于实际废水成分复杂，其中含有多种共存离子、非溶解性有机物以及其他竞争性污染物，这些因素都会降低PFAS去除效率，因此大规模应用PFAS治理技术仍然面临诸多困难。基于TiO2、ZnO、含铁和含铋材料的光催化系统在降解PFOA和PFOS方面展现出良好前景，但其工业应用却受到高能耗、光照穿透不足以及催化剂回收困难等限制。基于天然聚合物的
结论与未来展望
近年来，针对新兴污染物的治理研究已经从传统吸附剂转向先进的纳米复合材料，这类材料具有诸多优势，比如更高的光催化降解效率、更低的成本以及更高的能源利用效率。在本综述中可以发现，与基于ZnO和Fe的光催化剂相比，基于TiO2和Bi的光催化剂在降解和脱氟PFOA和PFOS方面表现更为出色。在基于聚合物的复合材料中，使用天然
CRediT作者贡献说明
Aswin Kumar Ilango：撰写——综述与编辑。G Arthanareeswaran：撰写——综述与编辑。Hai Minh Duong：撰写——综述与编辑。Mieczys?aw ?apkowski：撰写——综述与编辑，指导监督。Gokula Krishnan Sivasundari Arumugam：撰写——初稿，资金申请，概念设计。Yukesh Kannah Ravi：撰写——综述与编辑，指导监督，项目管理，资金申请，概念设计。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢波兰西里西亚理工大学在“卓越计划——研究型大学项目”下提供的支持，包括通过乌拉姆计划给予的奖学金资助（协议编号BNI/ULM/2024/1/00062），以及为员工出国交流提供的资金支持（编号31/160/SDU/10-27-02），这些支持来自波兰的纳罗多瓦学术交流机构（NAWA）。
