研究 | 利用纳米粒子和超声波永久分解化学物质

研究 | 利用纳米粒子和超声波永久分解化学物质

消防泡沫、不粘锅、防水纺织品和杀虫剂有什么共同点？它们都含有全氟和多氟烷基物质（PFAS），即不会自然分解的人造化学物质。

PFAS 正在污染土壤和水，在人类和动物体内也能检测到。它们的危害众所周知：这些永久性化学物质会损害肝脏、引发荷尔蒙失调并导致癌症，这只是它们的部分影响。

图示描绘了 PFAS 的常见来源及其相应的危害，以及 PFOS 的压电催化降解示意图。图片来源：Small Science (2024)

苏黎世联邦理工学院机器人与智能系统研究所教授萨尔瓦多·帕内·维达尔 (Salvador Pané i Vidal) 领导的团队研发出一种新方法来分解全氟辛烷磺酸盐 (PFOS) 亚组。由于其毒性，PFOS 目前受到严格限制甚至禁止使用。这项研究发表在《小科学》（Small Science）杂志上。

“主要问题在于，这些分子是由被氟原子包围的长碳链组成。这种碳氟键非常强，需要很大的能量才能打破它，”Pané i Vidal 的博士生 Andrea Veciana 说。

利用超声波和纳米粒子分解分子

为了分解 PFOS 分子，从而将其在水中降解，研究人员首次采用了压电催化技术。“压电”是指压电效应，即机械变形过程中产生的电荷，“催化”是指利用合适的物质加速化学反应。

“我们开发了压电纳米材料。肉眼看来，这种材料有点像沙子，”Veciana 说道。在超声波槽中，这些粒子带电并充当催化剂。Pané i Vidal 补充道：“正是这种电荷启动了整个反应链，并将 PFOS 分子一点一点分解。这就是纳米粒子被称为压电的原因。”

为了测量样品中的 PFOS 浓度，研究人员与食品生物化学实验室的分析专家 Samy Boulos 合作。研究人员使用质谱仪证明90.5% 的 PFOS 分子已经降解。

“然而，我们应该指出，我们的研究浓度非常高，达到每升 4 毫克，”维西亚纳说。

“在自然界中，例如在湖泊和河流中，PFOS 浓度低于每升 1 微克。浓度越低，PFOS 降解所需的时间越长。”

目前正在开发的一些技术首先将水浓缩，然后销毁 PFOS。这也是压电催化的关键步骤，必须在化学工业废水等特定应用中实施。

比以前的方法更好

考虑到现有的降解 PFAS 的方法，新方法的潜力就变得显而易见。“一种方法是热分解，但这需要超过 1,000 摄氏度的温度，这非常耗能，”Veciana 说。

PFAS 也可以通过光催化降解。该过程类似于压电催化，但使用光而不是机械能来激活催化剂。这种方法的主要问题是，在实践中，目标是处理废水，而废水浑浊，光穿透率低。

Veciana 提到了第三种方法，“还有吸收法，即使用一种海绵吸收水中的污染物。但这只是将问题从一个地方转移到另一个地方；现在你需要一种解决方案来处理渗透了 PFAS 的海绵。”

现有方法的缺点是 ETH 研究人员寻找新方法分解 PFAS 的原因之一。压电催化的优势在于能够使用不同的机械能源。

“如果必须在污水处理厂净化水，并且水中已经存在湍流，那么也许可以利用这种能量来分解其中的 PFAS，”Veciana 说。

共同对抗 PFAS

不幸的是，研究人员在实验室中用 50 毫升水样取得的成果尚未转化为实践。“我们方法的可扩展性是最大的挑战之一，”Pané i Vidal 说。

“但是我们成功证明了压电催化是一种降解 PFOS 的方法，并且比以前的方法更具优势。”此外，他们的方法不仅适用于 PFOS，还适用于任何其他 PFAS 和微量污染物。

一般来说，应在化学物质进入环境之前使用降解 PFAS 的方法，即在工业废水处理厂或收集的农业用水中进行再利用。“公司应采取一切可能的措施，确保他们排放到环境中的水尽可能干净，”Pané i Vidal 表示。

Veciana 补充道：“PFAS 是一个全球性问题，应首先通过政策变革和提高透明度来解决。”目前，媒体已经大量报道了 PFAS 禁令和更严格的监管，以迫使该行业对这些化学品的使用更加透明。

Veciana 表示：“尽管如此，继续通过研究进行创新也很重要，以尽可能减少和处理现有的 PFAS 暴露。”

信息源于：phys

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