【专家视角】中国科学技术大学EST｜表面活性剂原位组装强化超滤膜高效去除PFAS：机理与应用展望

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全氟及多氟烷基物质（PFAS）是一类具有环境持久性与健康风险的含氟化合物，其有效去除是水处理领域的紧迫挑战。传统高压膜工艺（如纳滤、反渗透）虽去除效率高，但能耗大、成本高。超滤膜虽运行压力低、通量高，但其孔径（约2–100 nm）远大于PFAS分子尺寸（如全氟辛酸（PFOA）直径约0.5 nm），难以通过尺寸筛分实现有效截留。

本研究提出一种阳离子表面活性剂辅助超滤策略，通过十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）与PFAS分子在膜界面处发生原位自组装，形成纳米级复合物或胶束，从而显著提升PFAS的超滤截留率。在CTAB浓度为0.14毫摩尔/升时，PFOA截留率从30.3%提高至99.1%。研究进一步揭示了浓度极化效应导致CTAB在膜表面局部富集，即使其本体浓度低于临界胶束浓度，仍可在膜界面处引发胶束形成，从而实现高效去除。该工作为PFAS的低能耗、高效膜法去除提供了新思路与技术途径。

1 科学问题

如何在不显著增加运行压力与能耗的前提下，提升超滤膜对PFAS的截留性能？

CTAB与PFAS之间的分子相互作用（静电与疏水作用）如何影响复合物的形成与膜分离行为？

浓度极化如何促进膜表面局部胶束化，从而在低CTAB投加量下实现高效PFAS去除？

2 研究方案

材料与体系构建：采用截留分子量为300 kDa的商业聚砜超滤膜；以PFOA为代表PFAS，CTAB为阳离子表面活性剂，在溶液中混合并静置形成稳定自组装体系。

自组装表征：通过动态光散射测定复合物粒径与Zeta电位；采用电导法测定CTAB及CTAB-PFOA体系的临界胶束浓度；利用石英晶体微天平研究CTAB与PFOA在界面的吸附与相互作用。

超滤实验：在死端与错流超滤系统中评估不同CTAB浓度、pH、离子强度、共存污染物等条件下PFOA的截留性能，并开展长期运行稳定性测试。

机理分析：结合浓度极化模型，计算膜表面局部CTAB浓度分布，阐明其在低投加量下仍能促进胶束形成的机制；通过对比不同链长、结构PFAS以及不同极性污染物的去除效果，解析疏水作用的主导地位。

成本分析：对CTAB增强超滤工艺进行生命周期成本估算，并与纳滤、反渗透、膜蒸馏等工艺进行经济性比较。

3 结论

CTAB显著提升PFAS超滤截留率：在0.14毫摩尔/升CTAB存在下，PFOA截留率可达99.1%；即便CTAB浓度低至0.028毫摩尔/升，截留率仍可达97.9%。

疏水作用为主导机制：对比辛酸与PFOA的截留行为发现，氟碳链与CTAB烃链间的强疏水作用是复合物稳定形成的关键；静电作用贡献相对较小。

浓度极化促进界面胶束化：理论计算与热力图分析表明，在超滤过程中，膜表面局部CTAB浓度可升至本体浓度的10倍以上，使其在局部达到或超过CMC，从而驱动PFAS-CTAB复合物/胶束的形成与截留。

工艺适用性广泛：该体系对长链PFAS（PFOA、全氟辛烷磺酸（PFOS）、全氟己酸（PFHxA））截留率接近100%，且在pH 1–9、高离子强度及存在天然有机物条件下仍保持高效；对疏水性较强的有机污染物（如双氯芬酸、萘普生等）也具有良好截留增强效果。

经济优势明显：CTAB增强超滤的单位水处理成本约为0.0059美元/吨，显著低于纳滤、反渗透及膜蒸馏等工艺。

不足与展望

研究主要聚焦于PFOA等少数PFAS，对超短链及新型替代物（如GenX）的去除效能需进一步验证。

CTAB本身具有一定环境与健康风险，未来可探索如苯扎氯铵、月桂酰精氨酸乙酯盐酸盐等更环保的表面活性剂替代方案。

实际水体中复杂基质（如悬浮物、油脂、多种污染物共存）对自组装过程及膜污染行为的影响尚待深入研究。

长期运行中CTAB的消耗、膜污染控制及再生策略仍需优化，以推动该技术向工程化应用发展。

文章来源：生态环境科学

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