研究人员开发了一种创新解决方案，解决了一个紧迫的环境挑战：去除和销毁全氟和多氟烷基物质（PFAS），通常称为“永恒化学品”。一项新的研究揭示了一种方法，不仅消除水系统中的PFAS，还将废物转化为高价值石墨烯，提供了一种具有成本效益和可持续的环境修复方法。
莱斯大学的研究人员开发了一种创新解决方案，解决了一个紧迫的环境挑战：去除和销毁全氟和多氟烷基物质（PFAS），通常称作“永恒化学品”。由詹姆斯·图尔（James Tour）教授和研究生菲利西亚·斯科特兰（Phelecia Scotland）领导的研究揭示了一种方法，不仅消除水系统中的PFAS，还将废物转化为高价值的石墨烯，提供了一种具有成本效益和可持续的环境修复方法。这项研究发表于3月31日的《自然水》（Nature Water）期刊。
PFAS是多种消费品中的合成化合物，因其耐热、耐水和耐油而受到重视。然而，它们的化学稳定性使其在环境中持久存在，污染水源，并对健康构成重大风险，包括癌症和免疫系统干扰。传统的PFAS处置方法成本高昂、消耗能源，并且通常会产生二次污染物，这促使对更加高效和环保的创新解决方案的需求。
“我们的方法不仅仅是销毁这些有害化学物质；它还将废物转化为有价值的东西，”图尔说。“通过将消耗过的碳上循环为石墨烯，我们创造出一种不仅对环境有益而且在经济上可行的过程，帮助抵消修复的成本。”
研究团队的过程采用了闪蒸焦耳加热（FJH）技术来应对这些挑战。通过将饱和PFAS的颗粒活性炭（GAC）与矿化剂如钠盐或钙盐结合，研究人员施加高电压，在不到一秒钟的时间内产生超过3000摄氏度的温度。强烈的热量打破PFAS中强碳-氟键，将其转化为惰性、无毒的氟盐。与此同时，GAC被上循环为石墨烯，这是一种在电子、建筑等行业中使用的有价值材料。
研究结果显示，去氟效率超过96%，去除全氟辛酸（PFOA）这种最常见的PFAS污染物的效率为99.98%。分析测试确认反应产生的有害挥发性有机氟化物量不可检测，这是其他PFAS处理的常见副产品。该方法还消除了与传统处置方法（如焚烧或将废碳添加到填埋场）相关的二次废物。
“这种双重目的的方法是一场游戏规则的改变，”斯科特兰说。“它将废物转化为资源，同时提供了一种可扩展、具有成本效益的解决方案，解决这一紧迫的环境问题。”
这项研究的影响不仅限于PFOA和全氟辛烷磺酸，这两种是研究得最深入的PFAS；它甚至可以处理最顽固的PFAS类型——特氟龙R。在FJH过程中实现的高温表明，这种方法可以降解多种PFAS化合物，为更广泛的水处理和废物管理应用铺平道路。FJH过程也可以调整以生产其他有价值的碳基材料，包括碳纳米管和纳米钻石，进一步增强其多功能性和经济吸引力。
“我们的方法承诺实现零净成本、可扩展性和环境效益，代表了在抗击永恒化学品斗争中的一大进步，”斯科特兰说。“随着对PFAS污染的担忧不断增加，这一突破为保护水质和维护全球公共健康提供了希望。”
这项研究的共同作者包括：莱斯大学化学系的凯文·维斯（Kevin Wyss）、程毅（Yi Cheng）、卢卡斯·埃迪（Lucas Eddy）、雅各布·贝克汉（Jacob Beckham）、贾斯廷·夏普（Justin Sharp）、司腾达（Tengda Si）、邓炳（Bing Deng）和迈克尔·黄（Michael Wong）；化学与生物分子工程系的Youngkun Chung、Bo Wang和Juan Donoso；材料科学与纳米工程系的崔志勋（Chi Hun Choi）、韩怡墨（Yimo Han）、鲍里斯·雅科布森（Boris Yakobson）和赵宇峰（Yufeng Zhao）; 土木与环境工程系的沈宇宜（Yu-Yi Shen）和梅森·汤姆森（Mason Tomson）。其他共同作者包括来自美国陆军工程师研究与发展中心的萨拉·格雷斯·泽特霍姆（Sarah Grace Zetterholm）和克里斯托弗·格里格斯（Christopher Griggs）。
这项研究得到了空军科学研究办公室、美国陆军工兵部队、国家科学基金会研究生研究奖学金计划、斯托弗-罗斯韦尔奖学金和莱斯学院奖学金的资助。
