莱斯大学Nat. Commun.：快速电热矿化—PFAS污染土壤的革命性修复技术

全氟和多氟烷基物质（Per- and polyfluoroalkyl substances，PFAS）是一类多样化的人工合成化学品，广泛用于塑料、纺织品、食品包装材料和灭火泡沫中。在过去的半个世纪里，PFAS的大量使用和不规范的废弃物处理，使得其广泛积累在土壤中。进而，通过食物链，PFAS可以在生物体中积累且具有严重的生物毒性。

由于C-F键能高（~485 kJ mol⁻¹）和长半衰期（在土壤中超过100年），PFAS难以通过常规的自然分解或微生物处理有效消除。常规的PFAS处理方法包括吸附剂固化、化学氧化和热处理等。然而，固化的方法利用吸附剂减少PFAS流动性，但并不能降解土壤中的PFAS，土壤中的PFAS仍会造成长期的环境危害。化学氧化和热处理方法会产生大量的废水和废气污染物，对环境造成二次污染，且处理过程会对土壤的性质造成严重的破坏。因此，开发一种高效、经济且通用的方法来修复受PFAS污染的土壤尤为必要。

在热处理过程中利用碱金属或碱土金属离子（如钙离子Ca²⁺）将PFAS转化为无毒的金属氟化物，这种矿化过程被认为是有效降解PFAS的新方法。基于此，美国工程院院士、美国莱斯大学化学系James M. Tour教授（点击查看介绍）领导的研究团队发展了一种快速电热矿化的新方法。他们利用环保的生物炭作为导电添加剂，通过直流脉冲输入，使污染土壤的温度在几秒钟内迅速升高到1000 ℃以上。同时，在该过程中，借助土壤和生物炭中固有Ca²⁺，PFAS被矿化为天然存在且无毒的氟化钙（CaF₂）。由于该反应在在密封系统中进行，该过程几乎不产生有害的碳氟（CxFy）气体排放。同时，研究发现，该技术可以有效实现多种PFAS的矿化，且同时具有高去除效率（>99.9%）和高氟矿化率（>90%），展示了其广泛的适用性。不同于长时间焙烧的方法，这种快速电热的方法增加了处理后土壤中的可交换营养物质的含量，保持了土壤的粒径、成分和水渗透率，且处理后的土壤适用于动物培养（存活率与清洁原土相当）。作者同时将该方法拓展至公斤级土壤的有效修复，同时有望实现污染土壤的原位修复。生命周期评估显示，REM具有低能耗、无水消耗和极少的温室气体排放，使其成为现有土壤修复技术中具有吸引力的环保替代方案。该工作发表于国际知名期刊Nature Communications，莱斯大学博士后程熠博士、邓兵博士（现清华大学助理教授）为论文的共同第一作者，邓兵博士、莱斯大学James Tour教授和科尔万大学赵玉峰教授为论文通讯作者。

图1. 快速电热矿化修复污染土壤的基本过程。

图2. 快速电热矿化法对于不同种类PFAS矿化的普适性。

图3. 矿化处理后土壤性质评估。

图4. 快速电热矿化放量处理污染土壤，以及该过程的生命周期和技术经济分析。

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Electrothermal mineralization of per- and polyfluoroalkyl substances for soil remediation

Yi Cheng, Bing Deng, Phelecia Scotland, Lucas Eddy, Arman Hassan, Bo Wang, Karla J. Silva, Bowen Li, Kevin M. Wyss, Mine G. Ucak-Astarlioglu, Jinhang Chen, Qiming Liu, Tengda Si, Shichen Xu, Xiaodong Gao, Khalil JeBailey, Debadrita Jana, Mark Albert Torres, Michael S. Wong, Boris I. Yakobson, Christopher Griggs, Matthew A. McCary, Yufeng Zhao & James M. Tour

Nat. Commun., 2024, 15, 6117. DOI: 10.1038/s41467-024-49809-6

【主要作者简介】

程熠，莱斯大学博士后，莱斯学术学者（Rice Academy Fellow），博士后合作导师：James M. Tour教授。2017年本科毕业于复旦大学，2022年博士毕业于北京大学，师从刘忠范院士。目前主要研究方向是废弃资源的回收利用、新型功能材料的制备以及环境污染物治理等。以第一/共同第一作者在Nature Sustainability, Nature Communications, JACS, Advanced Functional Materials, ACS Nano等期刊发表论文十余篇。

邓兵，清华大学助理教授、特别研究员、博士生导师。主要研究方向为开发基于电能的新型低碳电气化方法用于战略关键金属循环回收、固体废弃物资源化利用、功能纳米材料的制备及在环境和能源领域的应用等。

赵玉峰，科尔万大学教授。主要研究方向为基于分子动力学模拟和DFT方法的无机纳米材料相变过程和电催化机理等方面的理论计算研究。

James M. Tour，莱斯大学教授、美国工程院院士、美国发明家科学院院士。Tour教授在纳米科学技术领域做出了广泛的贡献，包括纳米电子、碳材料、纳米医学、分子机器、用于电池电催化和纳米材料制备、闪速焦耳热技术用于材料制备和环境修复等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/1548