慧正資訊，全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）對水體的污染在全球范圍內(nèi)廣泛存在且呈上升趨勢，這給此類物質(zhì)的生產(chǎn)商、使用者，以及廢物處理公司、修復(fù)工程企業(yè)和立法機構(gòu)帶來了日益嚴峻的挑戰(zhàn)。這導(dǎo)致該類物質(zhì)的生產(chǎn)和使用受到限制。此外，還需要高效且經(jīng)濟的工藝來去除地下水、地表水和廢水中的 PFAS。特殊離子交換樹脂的應(yīng)用，使得這種凈化過程能夠通過技術(shù)成熟的工藝實現(xiàn)，且可大規(guī)模推廣。PFAS 的去除率幾乎能達到 ppt 級別的檢測限（即接近完全去除）。

面臨的挑戰(zhàn)

全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）：這是一類包含超過 10,000 種物質(zhì)的群體，自 20 世紀 50 年代以來被大規(guī)模生產(chǎn)并應(yīng)用于多個領(lǐng)域 —— 僅舉幾例，如滅火泡沫、紡織品和紙張的浸漬劑，以及潤滑劑等。這類物質(zhì)均含有碳 - 氟原子鍵，而碳 - 氟鍵是有機化學(xué)中最穩(wěn)定的化學(xué)鍵之一。這意味著 PFAS 屬于 “持久性化學(xué)物質(zhì)”，在環(huán)境中幾乎不會分解，因此會隨著時間在自然界和生物體中不斷累積。為應(yīng)對這一問題，許多國家現(xiàn)已設(shè)定了極低的限值標準，尤其是針對地下水和飲用水。要達到這些標準，就需要高效的凈化技術(shù)，其中主要包括吸附工藝，例如使用顆粒活性炭（GAC）或離子交換（IEX）樹脂。一個復(fù)雜因素是，不同的 PFAS 在性質(zhì)上存在顯著差異 —— 例如分子量、鏈長或極性等。因此，在一個或幾個處理步驟中實現(xiàn) PFAS 的深度去除是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要專門定制的吸附材料。此外，吸附工藝與膜工藝（如反滲透）相結(jié)合，是另一種高效的 PFAS 去除方案。

最終，全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）可在高能條件下被銷毀 —— 例如，通過等離子體放電或化學(xué)及電化學(xué)氧化等方式。這些工藝中，有許多仍處于研發(fā)或測試階段。在高壓和高溫環(huán)境下，氫氧化鈉等物質(zhì)也能銷毀多種 PFAS（即水熱堿處理，簡稱 HALT）。純粹的熱分解是目前最常用的銷毀工藝，但需要 1000°C 以上的高溫。

離子交換：一種高度可配置的解決方案

在全球范圍內(nèi)，離子交換（IEX）樹脂已證明，其可通過經(jīng)濟高效的大規(guī)模應(yīng)用達到所需限值，并且能將各類 PFAS 吸附至檢測限水平 —— 即便在存在其他離子的情況下，也能實現(xiàn)對 PFAS 的結(jié)合與去除。

例如，在澳大利亞維多利亞州的一座機場，離子交換樹脂已成功用于處理地下水中的高濃度 PFAS。這些 PFAS 源自此前消防訓(xùn)練場地的消防演練，濃度高達 200ppb。該移動處理裝置的離子交換配置包括：可再生弱堿性陰離子交換樹脂 Lewatit® MP 62 WS，其后是采用主 - 副（lead/lag）配置的高選擇性一次性陰離子交換樹脂 Lewatit® TP 108。第一個過濾器吸附了大部分 PFAS，剩余的微量 PFAS（主要為全氟丁酸，PFBA）則通過高選擇性樹脂被有效降至不可檢測水平（見圖 1）。由于該樹脂具有快速動力學(xué)特性，即便在較短的停留時間（空床接觸時間，EBCT）下，也能實現(xiàn)高水平的 PFAS 截留。因此，該裝置每日可凈化多達 500 立方米的水，總凈化量超過 5400 萬升。

此類樹脂的有效吸附容量高達 100 克 / 升（即便在存在氯化物和硫酸鹽的情況下亦是如此），遠優(yōu)于傳統(tǒng)的活性炭過濾法。值得注意的是，在這一終端處理階段，其達到了 10,000 床體積（BV）的高處理量，從而減少了負載樹脂的用量，相應(yīng)降低了處置成本。

圖 1 澳大利亞維多利亞州地下水處理中 PFAS 的整體去除效率：灰色 —— 預(yù)處理進水；黑色 —— 預(yù)處理出水；紅色 —— 最終處理出水

在一項對比研究中，對顆?；钚蕴浚℅AC）和離子交換（IEX）樹脂在五年運營期內(nèi)的成本進行了評估。結(jié)果顯示，即便樹脂僅一次性使用且不進行再生，其成本仍比活性炭過濾法低近 60%（見圖 2）。盡管顆?；钚蕴康某跏疾牧铣杀据^低，但離子交換樹脂約五倍于前者的使用壽命，是此處成本優(yōu)勢的決定性因素。

圖 2 采用活性炭與離子交換樹脂（Lewatit® TP 108 DW）去除滅火介質(zhì)中全氟庚酸（PFHpA）的總成本對比（橙色 —— 設(shè)備投資；黑色 —— 五年內(nèi)的過濾材料；紅色 —— 處置成本）：移動處理裝置日處理量約 275 立方米

若對離子交換（IEX）樹脂進行再生，且能高效銷毀再生液中的 PFAS，其經(jīng)濟性優(yōu)勢可進一步凸顯。此類再生工藝的優(yōu)勢尤為明顯 —— 尤其是在水中 PFAS 濃度較高的情況下 —— 這不僅能延長樹脂的使用壽命，還能實現(xiàn)可持續(xù)利用。

目前，Lewatit® TP 108 DW 樹脂不建議再生，原因在于其使用壽命長、PFAS 負載量高且結(jié)合緊密。相比之下，單分散樹脂 Lewatit® MonoPlus TP 109 的 PFAS 選擇性雖略低，但可通過 70% 甲醇水溶液（添加 1% 氯化鈉）實現(xiàn)高效再生。

此外，弱堿性陰離子交換樹脂 Lewatit® MP 62 WS 在吸附 PFAS 后，可采用氫氧化鈉進行再生。由于該樹脂具有較高的可用容量和總?cè)萘?，因此特別適用于高 PFAS 含量水體的預(yù)處理。

從受污染原水中獲取潔凈飲用水

Lewatit® TP 108 DW 樹脂擁有 ANSI/NSF 61 認證，這意味著它也可用于飲用水處理。使用前無需沖洗（通常需沖洗≥20 個床體積）。例如，在美國賓夕法尼亞州，該樹脂被用于處理地下水以生產(chǎn)飲用水。由于該地區(qū)鄰近一處舊軍事基地，地下水中多種 PFAS 含量極高（如：全氟辛烷磺酸 [PFOS] 達 429 ppt、全氟辛酸 [PFOA] 達 174 ppt、全氟己烷磺酸 [PFHxS] 達 210 ppt），而其中前兩種物質(zhì)的最大污染物限值（MCL）僅為 4 ppt。通過小型快速柱試驗（RSSCT）證明，使用這種選擇性樹脂，可在處理數(shù)萬床體積的水后仍滿足上述限值要求。

在美國新澤西州的一家市政水處理廠中，這種選擇性樹脂也展現(xiàn)出極長的使用壽命。

該廠設(shè)有兩條并行處理線，每條線包含兩個容器，每個容器裝有 5.7 立方米的樹脂。即使在高達 70 立方米 / 小時的高流速下，水中的 PFAS 混合物（主要為全氟壬酸 [PFNA]）濃度也被降至遠低于當?shù)貒栏裣拗档乃?。在?- 副（lead/lag）配置中，主容器內(nèi)的樹脂在處理近 200,000 床體積的水、使用三年后（圖 3），仍能滿足新澤西州飲用水管理部門的嚴格要求，甚至符合美國國家環(huán)境保護局（EPA）的標準（其中 PFOA 和 PFOS 的 MCL 為 4 ppt，PFNA 的 MCL 為 10 ppt）。

圖 3 美國新澤西州井水處理的主 - 副配置

上游的 5 微米過濾器主要用于分離懸浮物，否則這些懸浮物會污染樹脂。隨后去除水中的微量鐵和錳，接著對水進行氯消毒。

高效的廢水處理

在意大利北部威尼托大區(qū)阿爾齊尼亞諾開展的一項對比試驗中，Lewatit® TP 108 DW 樹脂的優(yōu)異性能得到了驗證。當?shù)匾患抑聘飶S的廢水中含有 61 ppt 的全氟辛烷磺酸（PFOS）和 44 ppt 的全氟辛酸（PFOA），經(jīng)該樹脂處理后，這兩種物質(zhì)均被去除至檢測限水平（見圖 4）。即使處理量達到 60,000 床體積，其運行依然穩(wěn)定；而使用顆?；钚蕴浚℅AC）和另一種 PFAS 專用競爭樹脂時，則出現(xiàn)了穿透現(xiàn)象 —— 前者在處理 23,000 床體積（GAC 處理 PFOA）和 45,000 床體積（GAC 處理 PFOS）時穿透，后者在處理 45,000 床體積（競爭樹脂處理 PFOA）時穿透。

圖 4 意大利中試裝置中全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）去除效果對比試驗的操作條件與結(jié)果：紅色 ——Lewatit® TP 108 DW 樹脂；黑色 —— 競爭樹脂；灰色 —— 顆?；钚蕴浚℅AC）

針對不同鏈長 PFAS 的特異性結(jié)合方式

尤其在去除長鏈 PFAS（含 8 個以上碳原子）時，離子交換樹脂的效率會更高。這是因為，除了與 PFAS 分子親水性的羧酸或磺酸 “頭部” 發(fā)生離子相互作用外，樹脂的芳香族聚合物骨架還能與氟化物PFAS非極性的“尾部” 產(chǎn)生微弱的疏水相互作用 —— 即通過協(xié)同作用形成結(jié)合關(guān)系（見圖 5）。

圖 5 長鏈全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）分子（全氟壬酸，PFNA）在聚苯乙烯基強堿性離子交換劑上的協(xié)同結(jié)合

短鏈（含 4-7 個碳原子）和超短鏈（≤3 個碳原子）PFAS 近年來愈發(fā)受到關(guān)注。 超短鏈 PFAS 包括三氟 乙酸（TFA）、三氟甲磺酸（TFMS）、全氟丙酸（PFPrA）和三（五氟乙基）三氟磷酸酯（FAP）等。盡管這些物質(zhì)污染對環(huán)境和健康的影響尚未得到廣泛研究，但由于其持久性強，仍需從飲用水、地表水和地下水中去除。此外，它們作為長鏈 PFAS 的工業(yè)替代品使用量日益增加，這使得去除這類物質(zhì)變得更為重要。

尤其是短鏈 PFAS，其在顆?；钚蕴浚℅AC）上的吸附效果不佳，且容易再次脫附。目前，膜工藝（如反滲透和納濾）以及離子交換樹脂吸附在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多前景。就離子交換樹脂而言，若能高效銷毀再生液中濃縮的 PFAS，那么強堿性和弱堿性陰離子交換樹脂均可使用，且部分可再生。Lewatit® MP 62 WS 便是這類可再生弱堿性陰離子交換樹脂之一，其還具有高負載容量，例如對全氟丙酸（PFPrA）的負載容量為 10.3 克 / 升，對全氟丁酸（PFBA）的負載容量高達 145 克 / 升。

通常而言，吸附短鏈 PFAS 所需的停留時間比吸附長鏈 PFAS 更長。因此，長鏈 PFAS 應(yīng)在上游工藝步驟中分離，因為它們能更快、更牢固地與樹脂結(jié)合。若存在競爭性離子（如氯離子或硫酸根離子），或希望將 PFAS 殘留濃度降至極低水平，建議使用強堿性離子交換樹脂，如 Lewatit® TP 108 DW。

作者：

Dirk Steinhilber博士

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