对抗永久化学品的新方法

诸平

Fig. 1 A new method using piezocatalysis can break down PFAS from water. (Illustration: Nico Garcia)

Fig. 2 The piezoelectric nanoparticle acts as a catalyst and initiates a chemical reaction: 90.5 % of the PFOS molecule is degraded and 29 % is defluorinated Graphic: Andrea Veciana / ETH Zurich

关于“永久化学品”（'Forever chemicals'）之前已经有几篇博文进行过介绍：美中科学家用简单方法毁坏“永久化学品”、欧美PFAS污染研究二三事、研究人员改进了用阳光摧毁“永久化学物质”的催化剂、美中研究人员开发出能够毁坏“永久化学品”的反应器、某些全氟烷基和多氟烷基“永久化学品”被确定为甲状腺癌的潜在危险因素、永久化学品的危机:全球水资源超过安全的PFAS限制，网络上的相关报道也很多（卫生纸中检出有害“永久性化学品”、新方法清除“永久化学品”廉价又方便、PFAS ——有害的“永久性化学品” 等 ）。今天来介绍瑞士苏黎世联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology Zurich简称ETHZ / ETH Zurich)2024年9月13日提供的消息，对抗永久化学品的新方法（New method in the fight against forever chemicals）。

苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员与来自中国、西班牙、博茨瓦纳以及瑞士的研究人员合作，已经开发出一种新的方法来分解全氟烷基化合物（PFAS）中一种危险的亚群，即全氟辛烷磺酸（PFOS）。在纳米粒子和超声波的帮助下，压电催化（piezocatalysis）可以在未来提供一种有效的替代现有工艺的方法。相关研究结果于2024年8月28日已经在《小科学》（Small Science）杂志网站在线发表——Andrea Veciana, Sarah Steiner, Qiao Tang, Vitaly Pustovalov, Joaquin Llacer-Wintle, Jiang Wu, Xiang-Zhong Chen, Trust Manyiwa, Venecio U. Ultra Jr., Beltzane Garcia-Cirera, Josep Puigmartí-Luis, Carlos Franco, David J. Janssen, Laura Nyström, Samy Boulos, Salvador Pané. Breaking the Perfluorooctane Sulfonate Chain: Piezocatalytic Decomposition of PFOS Using BaTiO₃ Nanoparticles. Small Science, 2024, Article No. 2400337. DOI: 10.1002/smsc.202400337. Publication: 28 August 2024. https://doi.org/10.1002/smsc.202400337

参与此项研究的有来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich, Tannenstrasse 3, CH 8092 Zurich, Switzerland）、中国复旦大学（Fudan University, Shanghai, P. R. China）、博茨瓦纳国际科技大学（Botswana International University of Science and Technology, Plot 10071, Palapye, Botswana）、西班牙巴塞罗那大学（Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain）、西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚研究和进步研究所{Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), Pg. Lluís Companys 23, 08010 Barcelona, Spain} 以及瑞士联邦水产科学与技术研究所（Swiss Federal Institute of Aquatic Science & Technology, Kastanienbaum, Switzerland）的研究人员。

消防泡沫、不粘锅、防水纺织品和杀虫剂有什么共同之处?它们都含有多氟烷基化合物，即PFAS——一种不会自然分解的人造化学物质。因此，PFAS不仅污染了土壤和水，而且在人类和动物体内也能检测到PFAS也就不足为奇了。危害是众所周知的:这些永久的化学物质会损害肝脏，引发荷尔蒙紊乱，导致癌症，这只是它们的一些影响。

苏黎世联邦理工学院机器人与智能系统研究所（ETH Zurich’s Institute of Robotics and Intelligent Systems）教授萨尔瓦多·潘纳伊·维达尔（Salvador Pané i Vidal）领导的研究小组，开发出了一种新方法，可以分解全氟辛烷磺酸(PFOS)。由于其毒性，全氟辛烷磺酸现在被严格限制甚至禁止使用。“主要的问题是这些分子是由氟原子包围着长碳链组成的。这个碳氟键（C—F）非常牢固，你需要很多能量才能将其断开，”萨尔瓦多·潘纳伊·维达尔的博士生安德里亚·维齐亚纳（Andrea Veciana）说。

用超声波和纳米粒子分解分子(Breaking down molecules with ultrasound and nanoparticles)

为了分解全氟辛烷磺酸分子，从而在水中降解它们，研究人员首次使用了压电催化技术。“压电”（“Piezo”）指的是piezoelectricity，是机械变形过程中产生的一种电荷，而“催化”（“catalysis”）指的是加速与合适物质的化学反应。

安德里亚·维齐亚纳说：“我们开发了压电纳米材料。用肉眼看，这种材料看起来有点像沙子。在超声波浴中，这些颗粒带电并起到催化剂的作用。”萨尔瓦多·潘纳伊·维达尔补充说：“正是这种电荷启动了整个反应链，并将全氟辛烷磺酸分子一块一块地分解。这就是此纳米粒子被称为压电（piezoelectric）的原因。”

为了测量样品中全氟辛烷磺酸的浓度，研究人员与食品生物化学实验室（Laboratory of Food Biochemistry）的分析专家萨米·布洛斯（Samy Boulos）合作。使用质谱仪，研究人员能够证明90.5%的全氟辛烷磺酸分子被降解。“然而，我们应该指出，我们是在非常高的浓度（4 mg/L）下工作的，”安德里亚·维齐亚纳说。“在自然界中，例如在湖泊和河流中，全氟辛烷磺酸的浓度低于1 μg/L。浓度越低，全氟辛烷磺酸降解所需的时间就越长。”目前正在开发的一些技术首先将水浓缩，然后破坏全氟辛烷磺酸。这也是压电催化的关键一步，必须在化学工业废水等特定应用中实施。

比以前的方法更好(Better than previous methods )

当考虑到现有的降解PFAS的选择时，新方法的潜力变得清晰。“一种方法是热分解，但这需要超过1000 ℃的温度，这使得其非常耗能，”安德里亚·维齐亚纳说。PFAS也可以通过光催化降解。这个过程类似于压电催化，但使用光来激活催化剂而不是机械能。这种方法的主要问题是，在实践中，目标是处理废水，由于废水是浑浊的，因此光线穿透率很低。

安德里亚·维齐亚纳提到了第三种方法:“吸收式（absorption），如用一种海绵来吸收水中的污染物。但这只是把问题从一个地方转移到另一个地方;现在需要一种PFAS渗透海绵的溶液。”

现有方法的缺点是ETH研究人员寻找分解PFAS的新方法的原因之一。压电催化的优点是可以使用不同的机械能。安德里亚·维齐亚纳说：“如果水必须在污水处理厂中净化，并且水中已经存在湍流，那么可以利用湍流的能量来分解其中的PFAS。”

共同抗击PFAS(Combating PFAS together )

不幸的是，研究人员在实验室中用50 mL的水样取得的成果尚未付诸实践。萨尔瓦多·潘纳伊·维达尔说：“我们方法的可扩展性是最大的挑战之一。然而，我们已经成功地证明了压电催化作为一种降解全氟辛烷磺酸的方法，并且比以前的方法有优势。此外，该方法不仅适用于全氟辛烷磺酸（PFOS），而且适用于任何其他全氟烷基化合物（PFAS）和微污染物。”

一般来说，应在PFAS进入环境之前使用降解方法，即在工业废水处理厂或收集的农业用水中进行再利用。“公司应该采取一切可能的措施来确保他们排放到环境中的水尽可能的干净，”萨尔瓦多·潘纳伊·维达尔说。

安德里亚·维齐亚纳补充说：“PFAS是一个全球性问题，应该首先通过政策变化和提高透明度来解决。”已经有很多媒体报道了PFAS禁令和更严格的法规，以迫使该行业对这些化学品的使用更加透明。安德里亚·维齐亚纳说：“尽管如此，为了尽可能减少和修复现有的PFAS暴露，通过研究继续创新也很重要。”

这项工作得到了瑞士国家科学基金{Swiss National Science Foundation (project no. 200021_181988, IZLCZ0_206033, and 192012)}、欧盟“地平线欧洲研究与创新计划”{ European Union’s Horizon Europe Research and Innovation Programme under the EVA project (GA No.: 101047081)}、西班牙国家调查机构{Agencia Estatal de Investigación (AEI) for the María de Maeztu, project no. CEX2021-001202-M, the project PID2020-116612RB-C33 funded by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 and the Generalitat de Catalunya (2021 SGR 00270)}。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) pose significant environmental and health risks due to their ubiquitous presence and persistence in water systems. Herein, the efficacy of piezocatalysis using barium titanate nanoparticles under ultrasound irradiation for the degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) in water is investigated. The research demonstrates a substantial 90.5% degradation and 29% defluorination of PFOS after 6 h of treatment, highlighting the potential of piezocatalysis as a promising approach for PFAS degradation. Additionally, the quantification of degradation products elucidates the transformation pathways of PFOS, suggesting a stepwise chain-shortening mechanism. The findings underscore the importance of continued research in optimizing piezocatalytic processes and exploring synergistic approaches with other advanced oxidation methods to effectively address PFAS contamination challenges. These efforts are essential for advancing sustainable water treatment strategies and mitigating the environmental and health hazards associated with PFAS contamination.