网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

昆士兰大学张承课题组Macromolecules:PFAS吸附剂的分子层面设计

0
分享至

全氟和多氟烷基物质(PFAS)是一类结构多样的合成化学品,具有高度稳定性和耐多种环境因素的特性,因而被广泛应用于工业领域。然而,其优异的化学稳定性也使其难以降解,导致广泛的环境污染和潜在的生物蓄积风险。尽管已对某些PFAS(如PFOA和PFOS)实施禁用,但其在环境中的持久存在表明单靠监管难以彻底消除污染问题,亟需有效的修复手段。目前主流的PFAS去除方法包括颗粒活性炭(GAC)和离子交换(IEX)树脂,然而这些技术在处理(超)短链PFAS和共存污染物干扰方面仍存在挑战。近年来,利用氟–氟相互作用提高对PFAS选择性的吸附材料受到广泛关注。通过在吸附剂中引入氟化片段,可增强与PFAS分子的氟尾段之间的相互作用,从而提升其选择性和去除效率。然而,随着全球对PFAS使用的限制逐步加强,传统以PFAS为基础的氟化材料将面临使用上的限制。

近日,澳大利亚昆士兰大学张承课题组围绕“非PFAS结构的高效离子交换吸附剂设计”这一关键科学问题,系统探索了不同氟结构对超短链全氟和多氟烷基物质(PFAS)吸附性能的影响。团队开发出一系列含不同氟结构片段的离子交换吸附剂,研究团队设计并合成了四种含氟阳离子交换材料,分别为:Sorb-PFPE+(全氟聚醚结构)、Sorb-NFN+(C10链长的非醚PFAS结构)、Sorb-DFE+(以2,2-二氟乙醇为基础的非PFAS结构)和 Sorb-PFS+(以五氟苯乙烯为基础的非PFAS结构)。其中Sorb-PFS+展示出优异的性能,在去除(超)短链PFAS方面表现尤其突出。具体而言,其对全氟丙酸(PFPrA)、全氟-2-甲氧基乙酸(PFMOAA)、全氟-2-甲氧基丙酸(PMPA)和二氟乙酸(DFA)的去除率分别达到 97.7%、98.8%、99.1% 和 92.2%。进一步的吸附动力学实验显示,Sorb-PFS⁺可在5分钟内实现对上述PFAS的快速、高效且不可逆的去除。在吸附容量方面,基于Langmuir等温模型估算,Sorb-PFS+对 DFA、PFPrA、PFMOAA 和 PMPA 的吸附容量分别为 275.2、357.4、475.7 和 758.7 mg/g。此外,在连续五轮吸附-解吸循环中,材料性能未出现明显衰减,验证了其良好的再生性与可重复使用潜力。在两种真实水样(垃圾渗滤液与城市污水)的测试中,Sorb-PFS⁺中亦表现出优良的去除效果:其中在渗滤液中对 PFMOAA 和PMPA 的去除率均超过 93%,在污水中则高达 99%以上,整体性能优于商用吸附剂 PFA694E,彰显了其在复杂水环境中应用的可行性与优势。

材料制备和基础表征

在吸附材料的合成中,除市售的五氟苯乙烯(pentafluorostyrene, PFS)单体外,其余三种含氟单体均通过引入不同类型的含氟醇(包括直链氟醇、聚醚型氟醇和二氟乙醇)与对甲基苯乙烯氯化物(VBC)之间的相转移催化反应合成。反应在三氟甲苯(TFT)中进行,采用过氧化钠作为碱源,在45°C油浴中反应48小时。反应产物经甲醇沉淀、洗涤和干燥后得到目标含氟单体,随后于−20°C冷冻保存备用。

含氟单体与VBC和交联剂二乙烯基苯(DVB)按固定质量比例共聚,采用AIBN为引发剂,在惰性气氛下于70°C油浴中聚合24小时。聚合产物为白色固体,经丙酮洗涤并真空干燥后得到预聚树脂。所得树脂进一步通过三甲胺溶液进行季铵化改性,以引入季铵阳离子交换基团。改性反应在甲醇中于40°C下进行48小时,反应结束后经多次洗涤除去残留试剂,干燥并研磨筛分,最终获得具备离子交换能力的含氟吸附材料。

图1. 四种含氟阳离子交换材料的结构,以及本研究的中心探讨问题

PFAS去除效果对比

研究对四种吸附剂对典型PFAS的去除效果进行评估,并引入市售树脂PFA694E作为对照。结果显示,Sorb-PFS+ 的吸附效率在各项指标上均优于市售材料,尤其在(超)短链PFAS去除方面优势明显。在四种材料中,Sorb-PFS+表现尤为优异,能够实现对所有测试PFAS(包括超短链如DFA、PFMOAA、PFPrA和PMPA)>90%的去除效率,吸附容量最高可达758.7 mg/g,并在5分钟内实现快速、不可逆的吸附。

通过LC-MS/MS对15种PFAS进行平衡吸附试验,包括4种长链、7种短链、3种超短链PFAS(图2a)。为模拟真实水体环境,实验中加入了氯化钠和腐殖酸。

图2b显示,四种吸附剂对长链PFAS均表现出优异的去除效果(近100%),其中Sorb-PFS+和Sorb-PFPE+在去除PFPrA、PMPA和PFMOAA方面表现尤为突出(>95%),对DFA的去除率也超过90%。

随后,团队采用19F NMR在较高PFAS浓度(50 ppm)下对DFA、PFPrA、PFMOAA和PMPA的去除率进行了进一步评估,并引入了市售吸附剂PFA694E作为对照。结果显示(图2c和图S6),Sorb-PFS+在所有PFAS上的去除效率最高,是非PFAS结构中表现最优者,且合成路径简单,后续研究选用其为主要研究对象。

图2. PFAS的结构,LC-MS测试结果和19F NMR测试结果

通过Langmuir等温吸附模型拟合,团队对Sorb-PFS+ 的PFAS吸附能力进行了定量评价。结果表明,其对PMPA、PFMOAA、PFPrA和DFA的最大吸附容量分别为758.7、475.7、357.4 和 275.2 mg/g,显示出卓越的吸附能力。吸附动力学研究发现,Sorb-PFS+ 在1.44 mg/mL投加浓度下,3-5分钟即可完成对超短链PFAS的去除,并在24小时内无明显解吸,验证其快速且不可逆的吸附性能。

吸附剂再生性研究

为评估Sorb-PFS+的可再生性,研究人员进行了5轮吸附–解吸循环实验,解吸液为1 wt%氯化钠–甲醇混合液。图5显示,Sorb-PFS+在五个循环中保持稳定的吸附与解吸性能,PFPrA、PFMOAA与PMPA的吸附容量始终保持在10 mg/g,DFA略有下降,主要归因于离心过程中的少量材料损耗。此外,20分钟内即可完成PFAS的完全解吸,进一步验证了Sorb-PFS+在多轮使用中的稳定性与高再利用潜力。

图3. Sorb-PFS+与四种(超)短链PFAS的吸附再生性研究

真实污水处理效果

为进一步验证Sorb-PFS+ 的应用前景,研究团队对其在真实污水和填埋渗滤液环境中的表现进行了测试 (图4)。结果表明,在复杂的高有机物、高盐背景下,该材料仍能实现>90%的PFAS去除效率,明显优于市售对照材料PFA694E。且合成的高分子吸附树脂Sorb-PFS+ 30分钟与2小时处理结果无显著差异,体现其快速吸附优势。在污水中,Sorb-PFS+对PFPrA、PMPA和PFMOAA的去除率均超过98%;在复杂的垃圾渗滤液中也实现了较高去除率(PFPrA >67%,PMPA >85%,PFMOAA >71%)。渗滤液中高浓度有机质(624.3 mg/L)可能导致性能略微下降。当吸附剂浓度提升至10 mg/mL时,Sorb-PFS+对PMPA与PFMOAA的去除率>90%,PFPrA达85%,而DFA去除率约为20%。

图4. 吸附剂Sorb-PFS+在两种真实污水中的去除效果,城市污水(sewage)5 mg/mL, 垃圾渗滤液 5 mg/mL 以及 10 mg/mL.

吸附机理研究

为从分子水平理解Sorb-PFS+与PFAS之间的作用机制,使用LAMMPS软件进行了分子动力学模拟(图5)。选取Sorb-PFS+与Sorb-PFPE+作为代表吸附剂,与典型PFAS(PFPrA)进行作用能分析。与传统长链PFPE材料相比,Sorb-PFS+的芳香氟结构使季铵盐基团暴露度更高,有利于增强静电吸附,从而提升超短链PFAS的捕获能力。模拟结果显示,无论是PFAS与氟段还是PFAS与季铵阳离子之间,均表现为吸引相互作用(负能量),且PFPE段与PFPrA之间的作用能更负,说明其氟–氟相互作用更强。然而,Sorb-PFS+与PFPrA之间的阳离子–阴离子作用更强,可能是由于其氟段更短、更极性,使季铵基团暴露更充分。这表明,在设计氟化吸附剂时,除考虑氟–氟作用外,还需综合考虑材料结构对季铵基团暴露度的影响,以避免因结构干扰而削弱静电吸附能力,从而优化整体去除效果。

图5. 吸附剂Sorb-PFS+和超短链PFAS-PFPrA的分子动力学吸附模拟

研究团队不仅系统评估了四种含氟吸附剂的性能,还进一步探究了季铵盐阳离子结构对吸附效率的影响。在其课题组近期发表的另一项研究中,系统比较了四种结构各异的季铵盐功能单体,聚焦于碳链长度、分支结构与对称性等对PFAS去除能力的调控机制。

研究表明,长链季铵盐基团的疏水性增强有利于与PFAS氟链协同吸附;引入分支结构能够提高功能基团的空间可达性和表面暴露程度;而对称性调整则影响结合路径和位点可及性。这些结构设计策略在复杂水体中依然保持优异表现,体现出良好的环境适应性。该系列研究不仅为Sorb-PFS+ 的优异吸附性能提供了结构层面的理论支撑,也彰显了研究团队在结构调控—性能优化—环境验证上的系统性科研优势。

小结与展望

随着全球对PFAS使用和排放的日益关注,开发绿色、高效、可再生的吸附材料成为环境治理领域的迫切需求。本研究聚焦“非PFAS结构的高效离子交换吸附剂设计”,成功构建了一系列结构明确、性能优异的含氟阳离子交换材料,其中以 Sorb-PFS+表现最为突出。它不仅在去除(超)短链PFAS方面展现出极高的选择性和吸附容量,还具备快速吸附、不易解吸和良好再生性等特点,在复杂的真实水体中同样表现出色,性能全面超越市售对照材料。更为重要的是,本研究通过实验与模拟相结合,深入揭示了氟结构片段对PFAS吸附性能的调控机制,为未来吸附剂的结构优化与机制设计提供了新的视角。未来,我们期待这一类非PFAS结构材料能在更多真实场景中发挥作用,也欢迎对环境修复材料感兴趣的科研同行与我们进一步交流探讨。

来源:高分子科学前沿

声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
佩洛西质问:特朗普有何把柄抓在俄国人手里?

佩洛西质问:特朗普有何把柄抓在俄国人手里?

名人苟或
2026-10-19 16:02:41
户口本上最容易填错的一栏!“籍贯”不是老家,也不是出生地

户口本上最容易填错的一栏!“籍贯”不是老家,也不是出生地

坠入二次元的海洋
2026-10-18 18:37:48
法国巴黎警方确认了:已发布命令并部署警力,禁止在巴黎特定区域在晚上8点后举行抗议活动,并在共和国广场等区域从晚上11点开始实行宵禁

法国巴黎警方确认了:已发布命令并部署警力,禁止在巴黎特定区域在晚上8点后举行抗议活动,并在共和国广场等区域从晚上11点开始实行宵禁

吉刻新闻
2026-10-20 08:33:53
马斯克在 X 上发帖暗示:全球美元加起来,恐怕都不够 AI 巨头用了!

马斯克在 X 上发帖暗示:全球美元加起来,恐怕都不够 AI 巨头用了!

混沌录
2026-10-20 00:38:08
任贤齐18岁儿子罕见曝光,身高超180cm神似父亲,21岁女儿气质佳

任贤齐18岁儿子罕见曝光,身高超180cm神似父亲,21岁女儿气质佳

娱乐嗑学家.
2026-10-18 16:59:07
库里伤情确定!

库里伤情确定!

柚子说球
2026-10-19 20:36:27
建设银行存款利率调整,20万存1年,到期能拿多少利息?答案来了

建设银行存款利率调整,20万存1年,到期能拿多少利息?答案来了

江启
2026-10-19 14:38:15
中国3胜2负!宾汉姆1000胜!希金斯赢了!附20日赵心童艾伦赛程

中国3胜2负!宾汉姆1000胜!希金斯赢了!附20日赵心童艾伦赛程

求球不落谛
2026-10-20 07:58:56
这样的汉奸,应该开除国籍

这样的汉奸,应该开除国籍

燕梳楼频道
2026-10-19 12:30:38
吴谨言爆怀二胎!小腹微凸街头相拥老公,1年半前才刚生第一胎

吴谨言爆怀二胎!小腹微凸街头相拥老公,1年半前才刚生第一胎

ETtoday星光云
2026-10-19 14:07:40
连线亲历法国暴力骚乱的中国公民:购物受影响,秩序正在恢复

连线亲历法国暴力骚乱的中国公民:购物受影响,秩序正在恢复

南方都市报
2026-10-19 21:50:07
价格大跳水,暴跌70%

价格大跳水,暴跌70%

天津族
2026-10-19 18:24:32
法国骚乱游戏店老板孤身守店爆红!网友P图超赛致敬

法国骚乱游戏店老板孤身守店爆红!网友P图超赛致敬

游民星空
2026-10-19 12:09:15
“这拿筷子姿势,太恶心了”,一段母女吃饭视频火了,又一个贫民窟的小公主

“这拿筷子姿势,太恶心了”,一段母女吃饭视频火了,又一个贫民窟的小公主

蝴蝶花雨话教育
2026-10-06 11:47:56
严查违法变道等!上海警方出手了

严查违法变道等!上海警方出手了

看看新闻Knews
2026-10-19 19:33:33
世道变了,养老规则颠倒,江浙沪多地,已经掀起大范围反向养老

世道变了,养老规则颠倒,江浙沪多地,已经掀起大范围反向养老

童童聊娱乐啊
2026-10-18 15:27:25
不可思议!疯狂小杨哥换新号复出,一日涨粉10万,网友:涨粉再快,也回不到之前上亿的粉丝量了

不可思议!疯狂小杨哥换新号复出,一日涨粉10万,网友:涨粉再快,也回不到之前上亿的粉丝量了

火山詩话
2026-10-18 07:10:10
李在明宣布迁都,44个中央机关限时搬出首尔,南下世宗避开三八线

李在明宣布迁都,44个中央机关限时搬出首尔,南下世宗避开三八线

牛锅巴小钒
2026-10-19 06:39:28
科比女儿23岁首登维密秀,为走秀把历年大秀看到滚瓜烂熟

科比女儿23岁首登维密秀,为走秀把历年大秀看到滚瓜烂熟

自愈小日子
2026-10-19 08:16:16
不满?C罗遭重罚后发俱乐部训练照 足协被批双标:卡瓦略被禁赛1年

不满?C罗遭重罚后发俱乐部训练照 足协被批双标:卡瓦略被禁赛1年

风过乡
2026-10-20 06:31:42
2026-10-20 09:11:00
高分子科学前沿 incentive-icons
高分子科学前沿
高分子领域第一自媒体
16992文章数 66941关注度
往期回顾 全部

科技要闻

王晟:近千亿资金涌入后 具身智能开始退烧

头条要闻

两名男性设局和女局长接触并发生关系 其中一人未成年

头条要闻

两名男性设局和女局长接触并发生关系 其中一人未成年

体育要闻

从NBA退役10年后,他真去警局上班了

娱乐要闻

奚梦瑶回应重返维密:还是很开心的

财经要闻

宁德时代的大时代结束了吗?

汽车要闻

不知道二代海鸥多好玩? 上赛道跑两圈 很过瘾的

态度原创

教育
艺术
游戏
健康
家居

教育要闻

5牛几天吃完?这道经典吃草题,你会算吗

艺术要闻

俄罗斯90后摄影师比莉娅娃英这组写真,看完我直接跪了!最后一张绝了!

《边缘行者2》首集免费直播 其余9集需在Netflix观看

看着很健康的人,怎么会突然猝死?

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

无障碍浏览 进入关怀版