研究人員創建了一種單步驟裝置,利用氧化還原電滲析和電吸附來捕獲和破壞多種 PFAS 化學物質,旨在解決水和工業廢水中的污染問題。
一項研究來自是第一個引入電化學方法的公司,該方法能夠在一個過程中捕獲、濃縮和破壞水中的各種 PFAS 化學物質(包括日益常見的超短鏈 PFAS)。這項突破有望解決日益嚴峻的 PFAS 污染工業挑戰,特別是在半導體製造領域。
伊利諾大學之前的一項研究研究表明,可以使用電化學驅動吸附(稱為電吸附)從水中去除短鏈和長鏈 PFAS,但這種方法對於超短鏈分子無效,因為它們尺寸小且化學性質不同。這項新研究由伊利諾伊州化學和生物分子工程學教授曉蘇領導,將一種稱為氧化還原電滲析的海水淡化過濾技術與電吸附技術結合在一個設備中,以解決與捕獲完整PFAS 尺寸譜相關的問題。
研究結果發表在期刊上自然通訊。
為什麼採用氧化還原電滲析?
「我們決定採用氧化還原電滲析,因為非常短鏈的 PFAS 的行為很像水中的鹽離子,」Su 說。 「我們面臨的挑戰是生產一種高效、有效的電滲析系統來捕獲超短鏈PFAS,使其與長鏈PFAS 的電吸附過程協同工作,透過電化學氧化破壞它們,並使其在短時間內發生。
Su的團隊先前已經展示了高效的電滲析裝置,可以去除各種非PFAS污染物。然而,該過程需要離子交換膜,這種膜價格昂貴且很快就會被 PFAS 分子污染。
為了清除膜障礙,Su 的團隊引入了一種廉價的奈米濾膜,可以透過電場驅動去除 PFAS,而不會被污染。該技術基於先前的進展他們的團隊將氧化還原聚合物與這些奈米濾膜結合起來製成,以實現節能的海水淡化。
最佳化設備配置
對於移除 PFAS 而言,擁有適合作業的材料是一回事,但找到最有效的配置本身就是一個重大挑戰。
「在嘗試了多種設備配置後,我們最終選定了一種系統,可以對 PFAS 污染的水進行淡化,以去除超短鏈分子,然後同時碳電極去除剩餘的短鍊和長鏈分子。分子,」蘇說。 “這個過程還集中了所有的 PFAS,使它們一旦被捕獲就更容易被摧毀。”
最後,氧化還原電滲析固有的電化學氧化過程透過將捕獲的 PFAS 轉化為氟離子來破壞它們,這是消除環境中這些持久污染物的關鍵一步。
Su表示,該團隊對擴大該製程的前景感到興奮,這樣他們就可以將其從實驗室帶到現場,不僅可以解決廢水應用問題,還可以將該系統現場納入工業廢水流中。
「由於美國政府、廢水處理設施和半導體行業的興趣,這項工作非常及時,」蘇說。 “預計未來幾年半導體產量將會上升,而可持續生產的 PFAS 減排將成為未來的一個主要問題。”
參考文獻:“整合氧化還原電滲析和電吸附去除超短鏈至長鏈 PFAS”,作者:Nayang Kim、Johannes Elbert、Ekaterina Shchukina 和 Xiao Su,2024 年 9 月 27 日,自然通訊。
DOI:10.1038/s41467-024-52630-w
伊利諾伊州研究人員 Nayang Kim、Johannes Elbert 和 Ekaterina Shchukina 對這項研究做出了貢獻。美國國家科學基金會 ERASE-PFAS 計畫支持這項研究。