生物炭/海藻酸钠复合材料的制备及其在水溶液中高效去除铅(II)的性能与机制研究

时间：2026年1月24日

来源：Journal of Industrial and Engineering Chemistry

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全氟烷基化合物（PFASs）是难以通过常规水处理去除的持久性污染物。纳米过滤（NF）膜因可调的物理化学性质，在低能耗下实现高效PFASs去除，主要机制包括静电排斥和尺寸筛除。膜特性、操作条件及PFASs的理化性质（分子量、官能团、链长）显著影响去除效果。短链PFASs去除受限，需通过膜改性或工艺优化提升，同时需更多基于真实水质的研究。

Jungyeon Park | Yeomin Yoon

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摘要

全氟烷基和多氟烷基物质（PFASs）是一种持久性且具有高度移动性的污染物，传统的水处理工艺无法有效去除它们。由于纳米过滤（NF）膜具有可调节的特性，既能实现选择性去除又能保证渗透性，因此成为去除PFASs的一种有前景的方法。本文综述了NF膜的当前进展，以及PFASs和NF的物理化学性质及其操作条件如何影响去除效果。NF膜对PFASs的去除主要通过空间排阻作用实现，其次是膜表面与PFAS分子之间的静电排斥作用。膜的特性（如孔径、表面电荷和形态）以及PFASs的性质（如分子量、官能团和链长）对这些相互作用有显著影响。此外，操作参数和水质因素（如pH值、二价阳离子、天然有机物、跨膜压力和浓度）也会影响去除效率。几种混合技术显示出改善短链PFASs去除效果的潜力，这解决了NF膜依赖空间排阻作用的主要局限性。本文全面评估了基于NF膜的PFASs去除方法，强调了材料性质、操作条件和去除机制之间的关联，并指出了当前研究中的空白，特别是在实际应用所需的真实水环境下的研究需求。

引言

全氟烷基和多氟烷基物质（PFASs）是一类广泛应用于消费品等各种工业领域的合成化合物[1]。由于它们的碳结构中氢原子被氟原子取代，形成了疏水-亲脂的特性，PFASs常用于防水纺织品、阻燃剂和食品包装[2]。然而，这些物质在水中具有高度移动性，会在地表水和饮用水源中造成高浓度污染[3]。摄入受污染水中的PFASs可能导致激素失衡、甲状腺疾病、肝癌、肾衰竭和免疫功能障碍，对人类健康构成重大风险[4]。因此，尽管PFASs的使用量最近大幅减少，但它们仍存在于水环境中[5]。先前的研究发现，地下水中PFASs的浓度范围为20至20,000 ng L⁻¹，在垃圾填埋场渗滤液中检测到的浓度甚至高达214,000 ng L⁻¹[1]。

为解决这一问题，人们开发了多种方法。过去十年间，监管力度有所加强，例如美国环境保护署提议在2024年前设定主要PFASs（如全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的最大含量限制[6]。然而，采用混凝-絮凝-过滤-沉淀工艺的传统水处理厂无法有效去除饮用水中的PFASs，这些处理过程往往导致最终产品中的PFASs浓度与原水相当或更高[7]。例如，最近的一项研究发现，传统水处理工艺使PFOA和PFOS的浓度分别增加了61%和18%[8]。传统方法的局限性可能源于其处理效率低下或未能对PFASs进行有效转化[7]。

近年来，人们研究了多种去除饮用水中PFASs的有效技术，包括吸附[9]、高级光化学氧化[10]、声化学分解[11]和膜过滤[12]。高级氧化技术利用紫外线照射和电化学方法成功降解了PFASs[13]。相比之下，声化学分解利用超声波促进PFASs的分解[14]。在吸附方面，颗粒活性炭在低有机物含量的环境中显示出去除长链PFASs的良好效果[15]。尽管取得了这些进展，但这些方法仍面临保留效率低、能耗高和处理时间长的挑战，阻碍了其商业化[16]。膜过滤技术（如正向渗透（FO）、反渗透（RO）、纳米过滤（NF）和超滤（UF）由于具有可控的物理和化学性质，提供了更灵活的解决方案[17]。特别是高压膜技术（如NF和RO）无需再生和更换吸附剂，从而提高了成本效益[16]。

在RO、NF和UF中，NF在去除效率和能耗方面取得了最佳平衡[18]。RO膜主要通过将污染物吸附在膜表面来去除多种PFASs，去除效率可超过99%[19]。然而，RO系统的高能耗使其成为更具成本效益的选择，因为NF膜在相对较低的压力条件下就能实现超过90%的去除效率[20]。相比之下，UF膜运行所需的能量最少，因此最为经济；但由于其孔径较大，单独使用时去除能力有限[21]。孔径是指膜上允许水流通过的孔洞的平均直径。NF在去除PFASs方面表现出巨大潜力，去除率可高达99%，且能耗低于RO[22]。这种性能主要归因于空间排阻和静电排斥作用[16]。鉴于这些优势，本研究重点评估NF膜在水处理过程中的实际应用前景。

尽管已有大量关于使用FO[5]、RO[19]、NF[18]和UF[23]膜去除各种PFASs的研究，但仅针对NF膜去除PFASs机制的全面评估仍然有限。一些近期研究分析了特定NF膜与其他工艺结合时的去除效果[2]。然而，系统性地综合考虑多种NF操作条件的研究尚不充分。因此，本文通过关联PFASs的物理化学性质与膜特性和操作条件，提供了一种基于机制的视角。特别是，本文分析了影响不同NF膜通量和去除效果的关键参数，考虑了膜物理化学性质、操作条件和PFASs物理化学性质的变化。这些发现有助于开发适用于水处理系统的优化NF膜。最后，本文提出了未来研究方向，以填补现有知识空白并推动该领域的进一步发展。

节选内容

通量和去除效果

评估NF和混合系统的实际应用性需要同时考察通量和PFASs的去除效果，因为基于膜的处理系统需要保持高处理量和高效的污染物去除[24]。最近的一项研究测试了四种未经改性的薄膜复合（TFC）聚酰胺（PA）膜（NF270、NF90、NFX和DK），以去除浓度为2 × 10⁶ mol L⁻¹的五种PFASs[2]。这些膜的表现各不相同：NF90和NFX