實驗室發現有效降解 PFAS「永久化學品」的新方法

全氟烷基物質和多氟烷基物質（PFAS）被稱為“永遠的化學物質”，因為它們具有極強的抗降解性。 由於其穩定的化學結構，PFAS 有數千種變體，可用於耐油和耐油脂食品包裝、不沾鍋、化妝品、服裝和消防泡沫。

這些化學物質分佈廣泛，已經滲透到水源和土壤。 事實上，最近的報告發現，全球大部分水資源超過了 PFAS 的飲用限制，對其環境和健康影響的擔憂不斷升級。

儘管人們一直在努力開發降解 PFAS 的方法，但目前的方法由於缺乏高效、可擴展和環境友好的工藝而受到限制。

現在，新南威爾斯大學化學學院的一群科學家設計了一種催化劑系統它可以激活分解常見類型的支鏈 PFAS 的反應。 這種新方法是由孫俊博士和 Naresh Kumar 教授最近開發的發表在日記中水研究，預計在未來實現更有效率、更永續的 PFAS 修復。

該團隊與新南威爾斯大學土木與環境工程學院的 Denis O'Carroll 教授、Michael Manefield 教授和 Matthew Lee 博士合作，設計了一種催化劑系統，可以在解決 PFAS 問題方面發揮關鍵作用。

論文的第一作者Sun 博士表示：「由於其強大的特性、簡單的應用和成本效益，我們開發的新系統在實驗室中展示了成功的PFAS 修復效果，我們希望最終能夠進行更大規模的測試。

PFAS：什麼、地點和時間？

自 1940 年代以來，PFAS 化學品已實現工業規模生產，其獨特的結構用於各種商業和工業應用，尤其是消防泡沫。

「當全氟辛烷磺酸在全球生產時，人們並沒有意識到這種化學物質本質上是不可破壞的，」庫馬爾教授說。

這種化學物質非常難以降解，以至於澳洲乃至世界各地的人們體內的 PFAS 含量可能較低。 「PFAS 是一種強效化學物質，無法在人體內降解，」庫馬爾教授說。 “這已經成為一個問題。”

一些科學研究表明，接觸某些 PFAS 可能會導致不良健康結果，但需要更多證據來揭示不同程度的 PFAS 暴露如何導致各種健康影響。

PFOA 是最受關注的 PFAS 類型之一，受《持久性有機污染物 (POP) 的斯德哥爾摩公約》的約束。 2023 年，世界衛生組織 (WHO) 國際癌症研究機構 (IARC) 將 PFOA 從可能的人類致癌物重新分類為第 1 類致癌物，因為有令人信服的證據表明其對人類具有致癌性。

由於其潛在風險和持久性，包括澳洲在內的許多監管機構都收緊了 PFAS 法規並設定了預防性飲用水限制。

Jun 博士說：“對有效 PFAS 修復的迫切需求推動了對多種處理方法的研究，從物理分離過程到先進的銷毀技術，所有這些方法都有其局限性。”

目前用於減少 PFAS 的流程

PFAS 是一種氟化化學物質，由強碳氟 (C-F) 鍵結合，眾所周知，碳氟鍵很難斷裂。

現有的從水和土壤中去除 PFAS 的方法是將 PFAS 吸收到碳材料上。 「因此，如果你有一塊活性炭墊，讓水穿過它，你就可以將 PFAS 吸收到活性炭上，但隨後你必須將其燃燒以破壞 PFAS，或者安全地儲存它，」教授說。

這是一個費力且能源效率低的過程，更不用說燃燒碳材料對環境的影響。 雖然此類物理分離技術提供了分離 PFAS 的潛力，但它們實際上並沒有破壞化學物質，最終加劇了與受 PFAS 污染的廢棄物相關的管理挑戰。

科學家探索的另一種方法是使用強氧化劑來分解它。 然而，這個過程需要腐蝕性化學物質，將 PFAS 分解成更小的結構，從而更難完全去除。

「我們一直需要找到一種節能且環保的方法來去除水中的 PFAS，」孫博士說。 “我們開發的方法是一種還原脫氟，通過破壞支鏈 PFAS 的強 C-F 鍵來降低 PFAS 的毒性。”

開發有效的催化劑

奈米零價金屬（nZVM）是一種環保化學還原劑，幾十年來科學家廣泛地使用它來透過脫氯過程處理被氯化化合物污染的地下水和土壤。

儘管它在其他方面具有潛力，例如從地下水中去除重金屬，但仍缺乏對使用 nZVM 進行 PFAS 脫氟的研究，這主要是由於缺乏激活反應所需的適當催化劑。

先前的研究表明，可以使用奈米零價鋅和天然催化劑維生素 B12（我們日常飲食中存在的一種水溶性維生素）來降解 PFAS。 但同樣，我們發現這個過程緩慢且低效。

「受到 B12 具有催化這一反應潛力這一事實的啟發，我們希望合成一種能夠反映 B12 獨特環形的催化劑，我們使用了一種稱為卟啉環的結構來實現這一點，」Sun 博士說。

在兩種常見類型的 PFAS（支鏈 PFOS 和 PFOA）上測試他們的方法。 Kumar 和 Sun 博士將 PFAS 化學物質與 nZVM 和卟啉環在緩衝溶液中混合，並測量 PFAS 的分解。

孫博士說：“我們通過跟踪這些強碳-氟化物鍵被破壞時釋放出多少氟化物來做到這一點。” “因此，通過簡單地測量反應產生的氟離子的量，我們可以知道有多少 PFAS 已被降解。”

「我們還將這些結果與現有的 B12 催化劑進行了比較，發現我們使用的鈷卟啉環在降解支鏈 PFAS 方面更有效、更快，」Sun 博士說。

這項最新研究的結果表明，在 5 小時內，約 75% 的氟化物已從支鏈 PFOS 和 PFOA 中釋放出來，顯著減少了溶液中 PFAS 的含量。 同時，B12 基催化劑體系在 5 小時內僅顯示低於 8% 的脫氟率。

大規模應用的潛力

雖然我們還需要進一步研究才能看到這種方法的大規模應用，但庫馬爾教授、孫博士和團隊已經堅定地把目光投向了下一步。

庫馬爾教授說：“我們的下一步是在中試規模上進行真正的嘗試，看看是否可以在實驗室外的真實樣本上完成這項工作。” “然後我們想在真實的水淨化系統或被 PFAS 污染的場所進行嘗試。”

該團隊也正在考慮透過將催化劑納入電極中，以環保的方式擴大製程規模。 「這些發現將使我們能夠在電化學電池中建立催化系統，其中施加的電壓可以取代奈米零價鋅，從而使 PFAS 可以在電池內降解，」庫馬爾教授說。

「我們希望在線性 PFAS 上嘗試這種方法，而不僅僅是支化類型，」孫博士說。 “但我們距離解決普遍存在的環境問題又近了一步。”