飲用水中全氟化合物的去除工藝綜述

摘要：全氟化合物（Perfluorinated Compounds，PFCs）是一類廣泛應(yīng)用的有機(jī)化合物，由于特殊的分子結(jié)構(gòu)，其具有極高的環(huán)境持久性，已成為全球范圍內(nèi)飲用水污染的重要物質(zhì)。綜合梳理PFCs在飲用水中的污染現(xiàn)狀，重點(diǎn)探討其濃度分布及地域差異，分析其環(huán)境持久性、降解難題與處理技術(shù)的局限性，并展望未來(lái)研究方向，旨在為PFCs的污染防治與處理技術(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：飲用水；全氟化合物；去除工藝；污染防治

中圖分類號(hào)：R123.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）03-0-03

Overview of removal processes for perfluorinated compounds in drinking water

XIAO Ning

（Shanghai Fudan Water Engineering and Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200433， China）

Abstract： Perfluorinated Compounds （PFCs） are a widely used class of organic compounds， due to their unique molecular structure， they have extremely high environmental persistence and have become an important substance for drinking water pollution worldwide. This paper comprehensively reviews the pollution status of PFCs in drinking water， focuses on exploring their concentration distribution and regional differences， analyzes their environmental persistence， degradation difficulties， and limitations of treatment technologies， and looks forward to future research directions， aiming to provide theoretical basis for the pollution prevention and treatment technology optimization of PFCs.

Keywords： drinking water; perfluorinated compounds; removal process; pollution prevention

全氟化合物（Perfluorinated Compounds，PFCs）

是自20世紀(jì)40年代起廣泛應(yīng)用的人工合成物質(zhì)。分子結(jié)構(gòu)中，碳鏈上的氫原子被氟原子完全取代，賦予PFCs優(yōu)異的疏水、疏油性以及極高的化學(xué)與熱穩(wěn)定性，其被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[1]。然而，PFCs的廣泛應(yīng)用使其在環(huán)境中普遍存在，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及人體健康構(gòu)成潛在威脅。研究表明，PFCs不僅具有強(qiáng)烈的持久性與生物累積性，還具備遠(yuǎn)距離遷移能力。PFCs可通過(guò)食物鏈逐級(jí)傳遞，在生物體內(nèi)逐漸積累，最終可能對(duì)人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，全氟辛酸（Perfluorooctanoic Acid，PFOA）和全氟辛烷磺酸（Perfluoro Octane Sulfonate，PFOS）與多種健康問(wèn)題密切相關(guān)，包括高膽固醇、甲狀腺疾病、免疫抑制、繁殖發(fā)育障礙及癌癥等。隨著飲用水安全對(duì)公共健康的日益重要，PFCs在水中的污染問(wèn)題日益受到關(guān)注。系統(tǒng)綜述PFCs在飲用水中的污染現(xiàn)狀及相關(guān)處理技術(shù)，旨在為制定合理的飲用水污染控制標(biāo)準(zhǔn)與處理策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 PFCs在飲用水中的污染現(xiàn)狀

1.1 全球范圍飲用水中PFCs的濃度水平

多項(xiàng)研究對(duì)全球不同地區(qū)飲用水中PFCs的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。KABORE等[2]對(duì)多個(gè)國(guó)家的97個(gè)飲用水樣本（包括瓶裝水和自來(lái)水）進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)飲用水中PFCs濃度差異顯著。在加拿大，源自五大湖和圣勞倫斯河的自來(lái)水樣本中，29種全氟和多氟烷基物質(zhì)（per- and polyfluoroalkyl substance，PFAs）的濃度均值為14 ng/L，而其他來(lái)源自來(lái)水的均值僅為5.4 ng/L。瓶裝水的PFCs濃度普遍較低，天然礦泉水和處理水的29種PFAS濃度均值保持在0.72～1.50 ng/L。

MAK等[3]的研究顯示，中國(guó)上海市自來(lái)水PFCs濃度最高，總PFCs的算術(shù)平均值為0.13 μg/L，PFOA為0.078 μg/L；日本富山市的濃度最低，僅為0.000 62 μg/L。

Crone等[1]對(duì)2013—2015年美國(guó)環(huán)境保護(hù)署開(kāi)展的第三階段非管制污染物監(jiān)測(cè)規(guī)則下所收集的數(shù)據(jù)的分析表明，PFOA和PFOS的檢測(cè)頻率較高，占比分別為1.03%和0.79%，PFOS的最高濃度可達(dá)7 000 ng/L。研究發(fā)現(xiàn)，不同規(guī)模的飲用水系統(tǒng)中，PFCs濃度差異顯著，全氟丁磺酸僅在大型系統(tǒng)中被檢測(cè)到，其在地表水和地下水中的平均濃度分別為212 ng/L和136 ng/L。

1.2 不同水源類型中PFCs的分布差異

地下水和地表水作為主要的飲用水水源，其PFCs污染狀況存在顯著差異。數(shù)據(jù)顯示，72%的PFCs檢出發(fā)生在地下水中，其PFCs濃度（210 ng/L）明顯高于地表水（90 ng/L）[1]。主要原因是地表水具有較強(qiáng)的稀釋作用，PFCs易與沉積物和天然有機(jī)物形成絡(luò)合物，從而降低其在地表水中的濃度，而地下水流動(dòng)性較差，污染物難以擴(kuò)散與降解，PFCs易在地下水中積累。

研究表明，不同水源中PFCs的組成存在差異。GUELFO等[4]指出，地下水中的PFCs混合物以全氟烷基磺酸為主，而地表水的則以全氟烷基羧酸為主。全氟烷基磺酸主要通過(guò)水成膜泡沫遷移至地下水，而全氟烷基羧酸則主要通過(guò)制造業(yè)排放、大氣沉降及垃圾填埋場(chǎng)滲濾液等途徑進(jìn)入地表水。

2 PFCs的處理技術(shù)

PFCs的環(huán)境持久性主要源于其碳-氟鍵的高鍵能，這使其在自然環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)常規(guī)生物和化學(xué)降解。作為典型的持久性有機(jī)污染物，PFCs在環(huán)境中的半衰期漫長(zhǎng)。PFCs的降解途徑包括光降解與微生物降解，但這些過(guò)程非常緩慢。光降解受限于特定波長(zhǎng)的光照和水體溶解物質(zhì)的影響。微生物降解方面，大多數(shù)微生物無(wú)法有效利用PFCs作為碳源，導(dǎo)致其降解效率極低。因此，PFCs在環(huán)境中的長(zhǎng)期積累對(duì)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成持續(xù)威脅。

2.1 活性炭吸附

活性炭吸附是目前研究較為廣泛的PFCs去除技術(shù)之一，包括顆粒活性炭和粉末活性炭[1]。活性炭的比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，能夠通過(guò)物理和化學(xué)吸附去除水中的PFCs。其吸附機(jī)制涉及多層吸附、膠束形成、酸堿相互作用以及靜電和疏水效應(yīng)等。不同類型活性炭對(duì)PFCs的吸附能力不同。以竹炭為原料制備的顆粒活性炭對(duì)PFOS和PFOA的吸附效果優(yōu)于其他活性炭材料。但在實(shí)際應(yīng)用中，活性炭對(duì)長(zhǎng)鏈PFCs的去除效果較好，而對(duì)短鏈PFCs的去除率較低。

2.2 反滲透

反滲透工藝?yán)冒胪改ぴ砣コ械娜芙庑晕镔|(zhì)，包括PFCs，通過(guò)尺寸排阻與電荷排斥作用，高效去除PFCs，去除率通常能夠超過(guò)99%，其對(duì)PFCs鏈長(zhǎng)不敏感[1]。雖然反滲透能夠有效去除PCFs，然而反滲透系統(tǒng)的能耗數(shù)倍于常規(guī)工藝，運(yùn)行成本高。另外，反滲透產(chǎn)生的濃縮液中PFCs濃度顯著提高，未經(jīng)適當(dāng)處理則可能對(duì)環(huán)境造成二次污染。為了解決問(wèn)題，當(dāng)前研究集中于優(yōu)化膜材料與操作條件，開(kāi)發(fā)濃縮液處理技術(shù)。

2.3 紫外光降解

紫外光降解利用紫外能量破壞PFCs化學(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的降解作用。然而，PFCs對(duì)紫外線的吸收能力較弱，降解效果常常不盡如人意，因此它需要與其他氧化劑聯(lián)合使用，以提高降解效率。研究表明，單獨(dú)的紫外光照射對(duì)PFCs的去除效果較差，但添加過(guò)氧化氫能顯著提升PFCs的降解效率。在一定條件下，聯(lián)合體系對(duì)部分PFCs的降解率可超過(guò)50%，但仍難以實(shí)現(xiàn)完全降解。雖然紫外光降解的反應(yīng)條件較為溫和，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，但是該技術(shù)設(shè)備成本較高。受穿透能力的限制，當(dāng)水中懸浮物和溶解性有機(jī)物等的濃度升高時(shí)，PFCs的降解效率會(huì)受到影響，在大水量的工況下，負(fù)面作用更為明顯。

2.4 新興技術(shù)與組合工藝

生物降解一直是PFCs去除的潛在研究方向，可篩選出以PFCs為碳源或能源進(jìn)行代謝的微生物，實(shí)現(xiàn)對(duì)PFCs的有效降解。部分微生物能夠利用PFCs進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)。然而，生物降解技術(shù)面臨微生物生長(zhǎng)速度慢、降解效率低和環(huán)境條件難滿足等問(wèn)題，因此其目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未大規(guī)模應(yīng)用。基因工程可以優(yōu)化微生物菌株，提高其降解效率和特異性，生物降解技術(shù)有望突破應(yīng)用限制。

近年來(lái)，多技術(shù)協(xié)同處理體系研究逐步受到關(guān)注。該體系通過(guò)整合多種處理技術(shù)的協(xié)同作用，有效提升PFCs的去除效能。活性炭吸附與反滲透技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，活性炭預(yù)處理可截留60%～70%的PFCs及有機(jī)污染物，顯著緩解反滲透膜的污堵現(xiàn)象，后續(xù)反滲透單元對(duì)剩余污染物的截留率可超過(guò)98%，最終系統(tǒng)整體去除率超過(guò)95%。在膜處理領(lǐng)域，超濾-納濾雙膜系統(tǒng)的構(gòu)建展現(xiàn)出技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，超濾單元對(duì)粒徑大于20 nm的膠體和大分子有機(jī)物具有選擇性截留作用，而納濾膜通過(guò)孔徑篩分和電荷排斥機(jī)制對(duì)分子量在200～1 000 Da的PFCs實(shí)現(xiàn)高效去除。不過(guò)，這類復(fù)合系統(tǒng)仍存在技術(shù)耦合度不足的問(wèn)題，單元工藝參數(shù)匹配度、能量利用效率優(yōu)化等方面仍需要深入研究，同時(shí)工藝流程的復(fù)雜性對(duì)自動(dòng)化控制水平提出更高要求。

3 未來(lái)研究方向與挑戰(zhàn)

3.1 研究空白

現(xiàn)有研究在PFCs去除方面取得顯著進(jìn)展，但仍存在多個(gè)研究空白。不同PFCs去除方法的適用性受到水質(zhì)特性、PFCs種類與濃度等因素的影響。目前，如何根據(jù)實(shí)際水質(zhì)情況選擇最適合的處理方法仍缺乏系統(tǒng)的研究與指導(dǎo)。現(xiàn)有研究大多關(guān)注PFCs去除技術(shù)的短期效果，其長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性與長(zhǎng)期效應(yīng)的研究較為匱乏。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，處理設(shè)備可能會(huì)發(fā)生性能衰退、膜污染等問(wèn)題，影響PFCs去除效果及處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。此外，一些處理技術(shù)在去除PFCs的過(guò)程中可能會(huì)生成未知的副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物對(duì)環(huán)境和人體健康的長(zhǎng)期影響尚未明確。目前，PFCs在環(huán)境中的歸趨與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究仍不夠全面，盡管其持久性與生物累積性已為人所知，但其在復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響尚不清楚。因此，在制定相關(guān)環(huán)境政策與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，缺乏充分的科學(xué)依據(jù)。

3.2 未來(lái)研究方向

未來(lái)研究應(yīng)著重構(gòu)建基于水質(zhì)特征的PFCs處理技術(shù)優(yōu)選體系。通過(guò)建立多因素耦合試驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)考察pH值、溶解性有機(jī)質(zhì)及離子強(qiáng)度等關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)對(duì)處理效能的影響機(jī)制，并運(yùn)用多元回歸分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建處理效果預(yù)測(cè)模型，為工程應(yīng)用提供量化決策依據(jù)。在技術(shù)長(zhǎng)效性研究方面，重點(diǎn)關(guān)注膜處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)化。通過(guò)表面Zeta電位分析、原子力顯微鏡表征等技術(shù)手段，深入解析膜污染形成機(jī)制；開(kāi)發(fā)具有抗污染特性的新型膜材料，如兩性離子改性膜、石墨烯基復(fù)合膜；優(yōu)化跨膜壓差、錯(cuò)流速度等關(guān)鍵操作參數(shù)，將膜污染速率控制在15%以下，實(shí)現(xiàn)膜壽命延長(zhǎng)30%以上。在PFCs的環(huán)境行為研究領(lǐng)域，建議構(gòu)建多介質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化研究平臺(tái)。可運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)，定量解析PFCs在水-土-氣界面的遷移通量；結(jié)合逸度模型，預(yù)測(cè)PFCs在不同環(huán)境相（水相、顆粒相、氣相）中的分配系數(shù)；通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究PFCs在好氧與厭氧條件下的降解動(dòng)力學(xué)。

4 結(jié)論

全球范圍內(nèi)，不同地區(qū)飲用水中PFCs濃度差異顯著。地下水和地表水作為主要的飲用水水源，其PFCs污染狀況存在顯著差異。作為典型的持久性有機(jī)污染物，PFCs在環(huán)境中的長(zhǎng)期積累對(duì)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成持續(xù)威脅。目前，PFCs的處理技術(shù)主要有活性炭吸附、反滲透和紫外光降解。近年來(lái)，新興技術(shù)與組合工藝研究逐步受到關(guān)注。現(xiàn)有研究在PFCs去除方面取得顯著進(jìn)展，但仍存在多個(gè)研究空白。未來(lái)，應(yīng)著重構(gòu)建基于水質(zhì)特征的PFCs處理技術(shù)優(yōu)選體系，重點(diǎn)關(guān)注膜處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)化，構(gòu)建多介質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化研究平臺(tái)，從而更好地去除飲用水中全氟化合物，保障水生態(tài)安全。

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