全氟和多氟烷基物质(PFAS)是一类含有至少一个完全氟化的甲基(-CH3)或亚甲基(-CH2-)碳原子的氟化化合物[1],[2]。虽然全氟羧酸(PFCAs)和全氟烷基磺酸(PFSAs)已被广泛研究,但目前已鉴定出超过4700种不同的PFAS化合物,包括氟化烷烃、烯烃、醇、羧酸、聚合物衍生物和其他功能化变体[3](见图1、表1)。PFAS由于具有较高的C-F键能(约110 kcal·mol⁻1)[4],表现出异常的化学稳定性,因此被广泛应用于金属电镀、半导体制造和消费品等领域[5],[6],[7],[8],[9]。例如,全氟辛酸(PFOA)是聚四氟乙烯(PTFE,即“特氟龙”)生产中的关键乳化剂,到2000年其年产量约为1000公吨。PFAS含材料的广泛工业使用表明,历史累计产量已超过数百万公吨[10]。
尽管这种稳定性在工业上具有优势,但它使得PFAS在环境中具有高度持久性,从而增加了修复的复杂性[见图1]。PFAS扩散的一个关键因素是PFCAs转化为盐类,这大大提高了其水溶性,从0.1 g/L提高到约3 g/L。因此,这种增强的溶解性促进了PFAS在环境中的传输,并通过土壤吸附和食物链传递导致生物累积和生物放大[3],[11],[12],[13],[14],[15],[16]。自20世纪90年代以来的大量研究表明,长链PFAS(如PFOA和PFOS)具有多种不良健康影响,包括致癌性[17],[18]、神经毒性[19]、免疫毒性[20],[21]、血脂异常[19]以及内分泌干扰[22],[23],[24],[25]。鉴于其环境持久性和已记录的健康风险,PFOS被列入《斯德哥尔摩公约》附件B(2009年)以限制其使用,随后PFOA也被列入附件A(2019年)以实现全球消除。然而,现有的大量PFAS污染要求开发有效的修复方法,以符合日益严格的饮用水法规[3]。
PFAS的极端化学稳定性严重限制了可行的环境修复策略[26],[27]。尽管已经探索了催化转化[28]、生物降解[29],[30]和焚烧[31]等先进处理技术,但它们的实际应用面临挑战,包括能源密集型的操作条件或未优化的工程方案[32]。吸附作为一种成熟的水处理技术,在PFAS去除方面具有三个主要优势:(i)成本效益高;(ii)操作简单;(iii)技术成熟。这种方法特别适用于处理微量PFAS污染的水生系统(通常浓度为ppb到ppt级别)[33],因为它可以从大量水中有效富集污染物。使用后的吸附剂再生会产生高浓度的PFAS废物流,这些废物流更适合通过先进的降解技术进行完全矿化。这些特性使得吸附成为大规模PFAS修复的一个战略可行解决方案。多孔材料由于其高表面可及性和可调的吸附性能,在污染物捕获方面显示出巨大潜力。本综述系统地评估了使用多孔材料去除PFAS的方法,并提供了优化吸附剂设计的原则。具体来说,我们将:i)评估各种多孔材料对PFAS封存的有效性;ii)分析影响吸附性能的结构-性质关系;iii)制定提高PFAS去除效果的材料设计指南。