PFAS吸附的水力强化：采用颗粒活性炭(granular activated carbon, GAC)和离子交换树脂(ion exchange resin, IER)对比评价旋转床反应器(rotating bed reactor, RBR)、批次(batch)及固定床柱(column)系统

《Processes》：Hydrodynamic Intensification of PFAS Adsorption: Comparative Evaluation of Rotating Bed Reactor, Batch, and Column Systems Using Granular Activated Carbon and Ion Exchange Resin

　　

尽管反应器过程强化方面已有进展，但水力条件(hydrodynamic conditions)对全氟和多氟烷基物质(per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS)去除的影响仍不明确。特别是旨在增强质量传递(mass transfer)的旋转床反应器(rotating bed reactor, RBR)尚未被系统评估用于PFAS去除，亦未与常规批次(batch)及固定床柱(fixed-bed column)系统进行对比。这种对比认知的缺乏限制了对RBR在PFAS修复中实用价值的判断。本研究在强化水力条件下考察了PFAS的去除，采用RBR并与批次及小型柱系统(small-scale column test, SSCT)进行比较，重点关注短链PFAS化合物。RBR显著增强了吸附动力学，各类PFAS的拟一级速率常数提高3~16倍，短链PFAS尤为明显。例如PFBA在RBR中12 h内接近完全去除，而批次条件下仅约50%去除。然而，更快的动力学并未转化为优于柱系统的长期突破(breakthrough)性能。使用离子交换树脂(IER)经过50个处理循环后，RBR中PFBA的出水中PFBA浓度比C/C0约为40%，而柱系统维持C/C0低于5%；PFPeA（15% vs. ~0.5%）和PFHxA（6.2% vs. ~0.2%）也呈现相似趋势。上述发现揭示了动力学强化与长期处理性能之间的基本权衡(trade-off)。结果表明两者设计定位不同：RBR适用于快速强化处理（如多级或并联配置），而常规柱系统在PFAS修复中更适于连续运行与达标控制。

研究背景与目的

全氟和多氟烷基物质（per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS）因C–F键强而具高环境持久性，其中短链PFAS（碳数≤6）及新兴PFAS（如GenX、6:2 FTSA）疏水性低、溶解度高，常规吸附技术难以有效截留，易提前穿透(breakthrough)。基于颗粒活性炭(granular activated carbon, GAC)和离子交换树脂(ion exchange resin, IER)的吸附是主流水处理工艺，但受膜扩散(外部扩散)和孔内扩散限制，质量传递(mass transfer)阻力是去除短链PFAS的关键瓶颈。旋转床反应器(rotating bed reactor, RBR)通过填料床旋转产生强制对流，减薄液膜边界层、强化液—固接触从而改善质量传递，已在部分污染物吸附中验证效果，但尚未应用于PFAS吸附且缺乏与批次(batch)及固定床柱的系统性对比。因此研究人员设计并开展本研究，对比三种水力构型下PFAS吸附动力学、竞争吸附影响及长期突破行为，明确RBR的水力强化效应及其与固定床柱的性能权衡，为PFAS修复工艺选型提供依据。本文发表于《Processes》。

主要关键技术方法

研究人员选取9种PFAS（短链：PFBA、PFBS、PFPeA、PFHxA；长链：PFOA、PFNA、PFOS；新兴：6:2 FTSA、GenX）及两种吸附剂（Calgon GAC、Purolite PFA694E IER）。(1) RBR与常规批次系统(CBS)对比吸附动力学实验：初始PFAS各0.02 μM，80 mg吸附剂，RBR 400 rpm，CBS摇床10 rpm，定时取样，拟合拟一级(pseudo-first-order, PFO)及拟二级(pseudo-second-order, PSO)动力学模型；(2) RBR对短链PFAS去除及长短链共存竞争效应实验：初始各0.4 μM，6 h接触，分别用GAC和IER；(3) RBR与小型固定床柱(SSCT)突破曲线对比实验：以污染土壤淋洗滤液加标为进水，各装4 g IER，RBR每6 h换新鲜进水重复50循环，SSCT空床接触时间(empty bed contact time, EBCT) 5.9 min连续过流50 L，绘制C/C₀—循环数突破曲线；(4) PFAS定量采用超高效液相色谱—串联质谱(UPLC–MS/MS)。

研究结果

3.1. PFAS Removal Kinetics: RBR vs. Batch Test

研究人员对比RBR与CBS下IER和GAC对各类PFAS的去除随时间变化曲线发现，RBR大幅加速吸附——IER体系中PFBA 12 h接近完全去除（CBS需~100 h），PFBS 12 h近完全去除（CBS需168 h）；GAC体系PFBA 6 h近完全去除（CBS同期~60%）。长链PFAS两系统差异缩小。表明RBR通过强化液固接触降低外部扩散阻力，使PFAS更快到达吸附位点；IER受外部膜扩散限制更大故RBR对其动力学提升幅度高于GAC（GAC还受粒内扩散限制）。

3.2. Sorption Kinetics and Mechanistic Insights

将实验数据拟合PFO与PSO模型，RBR使IER的PFO速率常数(k₁)提高3~16倍，GAC提高1.2~15倍；PSO速率常数(k₂)也有增加但增幅小于k₁。说明水力强化主要加速传质相关步骤（外部膜扩散）而非表面化学反应控制步骤。短链PFAS因静态条件下传质受限更严重，RBR对其k₁、k₂提升较明显。6:2 FTSA拟合差，提示其吸附涉及更复杂的空间位阻与孔扩散行为，不能用简单经验动力学模型充分描述。

3.3. RBR Performance on Short-Chains Removal

在有无长链PFAS共存条件下考察RBR对短链PFAS去除，IER体系中长短链共存使短链PFAS去除仅下降≤3%，GAC体系中下降3%~7%（PFBA由72%降至65%）。表明RBR内连续混合与强化传质削弱竞争吸附效应，IER本身对短链PFAS具高选择性，二者共同使短链PFAS在RBR中受长链竞争抑制较小。

3.4. PFAS Removal Efficiency: RBR vs. SSCT

用IER对比RBR与SSCT 50循环突破行为：短链PFAS（PFBA、PFPeA、PFHxA）及新兴PFAS（GenX、6:2 FTSA）RBR较早突破——50循环后PFBA C/C₀≈40%、PFPeA≈15%、PFHxA≈6.2%、GenX≈7%、6:2 FTSA≈71%；SSCT相应维持C/C₀<5%、~0.5%、~0.2%、低值及最低但仍为最差。长链PFAS两系统均高效去除，PFOS两系统全程C/C₀≈0.01%。SSCT的平推流(plug-flow)形成明确传质区使吸附容量充分利用、延迟突破；RBR为全混式单级接触，虽传质快但轴向弥散大、平衡级数少，故更早突破。总体去除顺序RBR：PFOS > PFNA ≈ PFBS > PFOA > PFHxA > GenX > PFPeA > PFBA > 6:2 FTSA；SSCT：PFOS ≈ PFBS > PFNA ≈ PFOA > PFHxA > GenX > PFPeA > PFBA > 6:2 FTSA。

讨论与结论翻译

本研究表明RBR构型可有效强化PFAS吸附，特别是最难去除的短链PFAS。RBR相较CBS使IER拟一级速率常数提高3~16倍、GAC提高1.2~15倍，源于强化水力条件下的质量传递改善，说明RBR在需短接触时间和高去除率的快速处理中具有潜力。然而RBR与固定床柱对比显示更快吸附动力学并不一定带来更优的长期突破性能——50循环后RBR中PFBA C/C₀约40%而SSCT维持低于5%，证实固定床柱吸附剂利用率更高。二者服务于不同目标：RBR利于快速吸附强化，固定床柱适于持续运行与延迟突破。从应用角度，RBR可作为PFAS修复流程中的快速预处理或过程强化单元，固定床柱更适合连续深度处理与达标控制。多级串联或并联RBR可增进平衡级数缩小与固定床的性能差距，有待进一步验证。未来研究应评估转速优化、能耗、吸附剂再生及复杂水质共存物影响，以评判RBR基PFAS处理的放大可行性与可持续性。