Mineralization of captured perfluorooctanoic acid and perfluorooctane sulfonic acid at zero net cost using flash Joule heating

使用闪速焦耳加热以零净成本矿化捕获的全氟辛酸和全氟辛烷磺酸

第一作者: Phelecia Scotland (莱斯大学)

通讯作者: James M. Tour, Yufeng Zhao (莱斯大学)

DOI: 10.1038/s44221-025-00404-z

期刊名称: Nature Water

发表年份: 2025年

论文亮点

            开发了一种使用闪速焦耳加热(FJH)技术高效矿化全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)的方法，氟转化率超过90%，PFOA和PFOS去除率超过99%
该方法同时将废碳转化为高价值的闪蒸石墨烯，每公斤可抵消60-100美元的处理成本，实现了零净成本处理

研究背景

            全氟和多氟烷基物质(PFAS)是一类持久性环境污染物，已渗透到淡水系统中，对人类健康和环境构成严重威胁
颗粒活性炭(GAC)广泛用于PFAS去除，但会产生二次废物(PFAS-GAC)，当前处理方法能耗高且会释放有害氟碳化合物
急需开发高效、低成本且环境友好的PFAS处理技术，以应对日益严格的环保法规和健康关切

        

研究方法

本研究采用闪速焦耳加热(FJH)技术处理吸附有PFOA和PFOS的颗粒活性炭(GAC)：

将PFAS-GAC与矿化试剂(NaOH或Ca(OH)₂)混合，置于双O型环密封的石英管中
施加110-150V电压，持续0.50-1.00秒，使样品迅速加热至2000°C以上
高温促使PFAS与矿化试剂反应，将有机氟转化为无机氟化物(NaF或CaF₂)
使用离子色谱(IC)和液相色谱-质谱(LCMS)分析矿化效率和PFAS去除率
通过X射线光电子能谱(XPS)、核磁共振(NMR)和气相色谱-质谱(GC-MS)对产物进行表征
进行分子动力学模拟研究反应机理，并进行生命周期评估(LCA)和技术经济分析(TEA)

主要结论

FJH技术在矿化试剂存在下能高效降解PFAS，PFOA和PFOS的氟转化率分别超过96%和90%，去除率超过99.9%
该方法不产生有害的短链PFAS或挥发性有机氟化物(VOF)，同时将废碳转化为高价值的闪蒸石墨烯
技术经济分析表明，该方法具有低能耗、低温室气体排放和经济效益好的特点，每处理1公斤GAC可获利60-100美元

图1: FJH研究的方案、电流和温度

图1: (a)实验装置和过程示意图;(b)典型150V FJH实验的电流曲线;(c)FJH反应过程中的温度曲线;(d)PFOA和PFOS负载GAC的矿化和降解总结

分析结果: FJH过程能够快速加热样品至3000°C以上，实现高效的热处理。在最佳条件下，PFOA和PFOS负载的GAC中超过90%的无机氟可以被回收，证明了FJH技术对PFAS矿化的有效性。

图2: 矿化过程的定量和分析

图2: PFOA-GAC与NaOH反应的定量分析结果

分析结果: 使用1.2摩尔当量的钠时，PFOA中约96%的有机氟转化为无机氟化物。XPS和NMR分析证实了NaF的形成，LCMS分析显示反应后仅残留极少量的PFOA(<0.01%)。GC-MS分析表明，增加NaOH的化学计量比可以减少挥发性有机氟化物(VOF)的形成。

图3: 高温下PFOA与NaOH反应的模拟

图3: PFOA与NaOH在高温下反应的分子动力学模拟和热力学分析

分析结果: 分子动力学模拟表明，钠盐在FJH反应中起到催化作用，促进C-F键的断裂。热力学分析显示，在NaOH存在下，氟碳化合物的反应是高度放热的，有利于NaF的形成。这些结果从理论上解释了矿化试剂的催化作用机制。

图4: FJH与其他PFAS-GAC修复方法的比较LCA和TEA

图4: FJH与其他PFAS-GAC修复方法的生命周期评估(LCA)和技术经济分析(TEA)比较

分析结果: 生命周期评估显示，FJH方法的能耗与焚烧相当，但远低于球磨、溶剂再生和微波处理。技术经济分析表明，FJH方法因产生高价值石墨烯而具有经济优势，每处理1公斤GAC可获利60-100美元，显著优于其他处理方法。

扩展数据图1: 无机和有机氟的定量

扩展数据图1: GAC/PFOA和GAC/PFOA/x1.2Na经过FJH后的离子色谱结果

分析结果: 扩展数据进一步证实了FJH处理对PFAS的高效矿化作用。离子色谱和ICP-MS分析显示，在钠存在的情况下，无机氟的回收率显著提高。LCMS分析表明，钠的存在减少了短链全氟羧酸(PFCAs)的形成，证明了矿化试剂的积极作用。