南京大学任洪强院士团队Nat. Commun.:不用试剂!一种只靠水驱动的PFAS净化技术

PFAS（全氟和多氟烷基物质）被称为“永久化学物质”，因其极强的化学稳定性和抗降解能力，在环境中几乎不会消失，并已广泛应用于工业和日常消费品之中。从食品包装到防水材料，这类物质早已悄然进入我们的生活。更令人担忧的是，PFAS正通过饮用水不断进入人体。随着长链PFAS逐渐被淘汰，超短链和短链PFAS成为新的替代品，并在饮用水中日益占据主导。然而研究发现，这些看似“更安全”的替代物同样可能具有显著毒性，甚至更难被去除。传统水处理工艺对其几乎无能为力，而高成本的反渗透技术又难以普及，使得许多人在不知不觉中暴露于超标风险之下。如何以低成本实现高效去除，成为保障安全饮水面临的重要挑战。

本期NewMIT小编，将向大家介绍一项03月10日发表于《Nature Communications》的突破性研究成果。研究者提出了一种非固定化的动态羟基循环策略。该策略仅以水作为驱动力，即可在商业沸石材料中实现吸附—再生的循环过程，从而高效且可持续地去除饮用水中多种（超）短链 PFAS（C–F 数为 1–6）。

在本文中，研究者提出了一种非固定化的动态羟基循环策略。该策略仅以水作为驱动力，即可在商业沸石材料中实现吸附—再生的循环过程，从而高效且可持续地去除饮用水中多种（超）短链 PFAS（C–F 数为 1–6）。通过提升纳米孔道的可达性，并构建“沸石骨架限域水”的双重结合模式，改性沸石表现出目前报道中最高水平之一的吸附容量（233.82–733.13 mg g⁻¹）。值得注意的是，该方法可作为一种低成本、原位升级现有净水设备的潜在方案，在实际规模运行中能够实现长达 179 天的稳定净水效果，有望为欠发达地区提供更加安全、健康的饮用水。

图1阐述了动态羟基循环吸附策略的设计理念及其对（超）短链 PFAS 去除性能的提升效果。首先，该策略通过在传统沸石吸附—热再生体系中引入水蒸气扩散过程，构建“构建—利用—移除”的动态羟基循环，实现可循环的吸附位点调控（图1a、图1b）。其中，限域水在沸石纳米孔道中形成可逆的亲水结合位点，与沸石骨架的疏水作用协同，为（超）短链 PFAS 提供双重结合模式。进一步对不同孔径（0.52–1.12 nm）及不同 Si/Al 比（25–600）的商业沸石进行系统筛选发现，在动态羟基循环条件下，各类沸石对 PFAS 的去除效率均显著提升，由原来的 4%–88% 提高至 31%–100%，表明该策略具有良好的普适性（图1c）。其中，孔径适中（0.56–0.74 nm）且疏水性较高（Si/Al ≥ 200）的 BEA 型沸石表现出最佳吸附性能，对所有目标 PFAS 的去除率均超过 61%。这些结果证明，动态羟基循环能够显著增强沸石对（超）短链 PFAS 的吸附能力。

图2系统揭示了最优 β200 沸石在动态羟基循环中的结构演化及吸附性能变化。首先，通过800 ℃煅烧将原始 β200 转化为再生态 D-β200，红外光谱显示 Si–OH 特征峰消失，表明邻位羟基发生缩合，表面极性降低，但 Si–O–Si 骨架与晶体结构依然稳定（图2a、图2b）。同时，电子显微与孔径分析表明材料形貌和微孔结构保持完整（图2c）。随后在高湿环境下引入水蒸气扩散，构建限域水结构，形成 S-D-β200，使沸石孔道内重新生成氢键网络和 Si–OH 位点（图2a）。固体核磁进一步证明，限域水在孔道中形成水分子链与水簇，并在通道交汇处构建亲水中心（图2d）。在此结构下，材料对（超）短链 PFAS 的吸附容量提升至原始材料的1.41–2.26倍，并显著优于多种已报道吸附剂（图2e、图2f）。更重要的是，经高温再生后材料结构保持稳定，连续循环仍可恢复94.3%–101.3%的吸附能力，证明该策略兼具高效吸附与良好可再生性。

图3从理论模拟层面揭示了限域水结构提升（超）短链 PFAS 吸附能力的内在机制。首先，通过构建“体相水–限域水–沸石”三相全原子模型，计算 PFAS 从水相进入沸石孔道的自由能变化，发现吸附过程呈现明显的两阶段能量转变：第一阶段为表面吸附，PFAS 的 C–F 链在疏水作用下与沸石骨架结合，自由能显著降低（图3a）；第二阶段为孔道扩散，由于脱水能垒较高，PFAS 在纳米孔中的扩散并非自发过程（图3b）。进一步引入限域水后，脱水能垒明显降低，固液传质过程更加顺畅，纳米孔占据率由0.5%提升至22%，显著提高孔道可达性（图3c–3e）。非共价相互作用分析表明，PFAS 的亲水头基与限域水形成稳定氢键，而疏水 C–F 链则通过范德华力嵌入沸石通道，形成协同“双重结合”模式（图3f、图3g）。进一步的相互作用强度与电子转移分析表明，该双结合机制主导了 PFAS 的稳定吸附，并解释了不同链长 PFAS 在沸石孔道中的高效捕获行为（图3h）。

图4展示了动态羟基循环技术在实际饮用水净化中的应用潜力。研究人员将传统家用净水器末端的压缩活性炭（CAC）滤芯替换为定制的 S-D-β200 吸附柱，构建动态羟基净水系统（图4a、图4b）。在模拟真实家庭用水条件（8 L·day⁻¹）下开展为期182天的连续运行实验（图4c），结果表明，该系统对（超）短链 PFAS 的平均去除率达到73%–95%，显著优于商业净水器（44%–90%），并接近反渗透系统的处理水平（图4d）。在约179天运行后，饮用水中 PFAS 浓度可稳定降低至欧洲饮用水健康标准范围内，显著减少潜在暴露风险。同时，该系统对溶解性有机物和重金属的去除性能未受到影响，表明其具有良好的综合净水能力。由于整个循环过程仅以水作为增强介质，并具备良好的可再生性，该技术为低成本升级现有净水设备提供了可行路径。

综上所述，本研究提出了一种基于沸石羟基动态循环的循环吸附策略，可有效打破（超）短链 PFAS 在真实饮用水中的“永久循环”。该策略在多种商业沸石中得到验证，其中以 β200 沸石表现最为突出。实验与理论计算结果一致表明，通过构建非固定化的羟基结构，不仅显著促进了固液界面的传质过程，还在孔道吸附过程中形成了独特的双重结合模式。在此机制下，S-D-β200 对（超）短链 PFAS（C–F 数为 1–6）的吸附容量达到 233.82–733.13 mg g⁻¹。值得注意的是，该改性过程无需额外化学试剂，仅依赖水即可实现，从而在保持沸石晶体结构稳定性的同时，赋予材料良好的选择性和再生性能，即使在模拟复合污染体系中亦表现稳定。更重要的是，在实际规模净水系统中引入 S-D-β200 后，仅需约 6 个月连续运行即可将环境中最高水平的（超）短链 PFAS 浓度降低至 欧洲饮用水健康标准范围内。因此，该研究为实现低成本、无（超）短链 PFAS 的安全饮用水提供了重要解决方案，尤其对欠发达地区具有重要意义。