全氟和多氟烷基化合物（PFAS）是一类广泛用于塑料、纺织品、食品包装材料和灭火泡沫的人造化学物质，它们在环境中的持久性和生物累积性对人类和野生动物构成严重威胁。由于其碳-氟键的高稳定性，PFAS在土壤中的自然降解极为缓慢，常规的微生物处理和化学氧化方法难以实现其高效消除。传统热处理技术虽然能够促进PFAS的矿化，但耗时且能耗高，且常常需要额外添加钙化合物，增加了材料成本。因此，开发一种快速、高效且经济的PFAS土壤修复技术显得尤为迫切，而新兴的直接电加热技术以其快速的加热和冷却速率、短处理时间和极低的能耗，为PFAS的矿化提供了新的解决方案。
近日，莱斯大学James M. Tour、清华大学邓兵和科尔万大学赵玉峰教授等在期刊《Nature Communications》上发表了题为“Electrothermal mineralization of per- and polyfluoroalkyl substances for soil remediation”的论文。本研究开发了一种快速电热矿化（REM）工艺，用于修复PFAS污染的土壤。该工艺采用环境友好的生物炭作为导电添加剂，通过电流脉冲输入，使土壤温度在几秒内迅速升高至超过1000°C，将PFAS转化为土壤中固有的钙化合物形成的氟化钙。这一过程适用于多种PFAS污染物的土壤修复，具有超过99%的高去除效率和超过90%的矿化比率。REM工艺在保留土壤颗粒大小、组成、水分渗透率和阳离子交换能力的同时，还能增加土壤中可交换养分的供应，并提高土壤中节肢动物的存活率，相较于耗时且严重降低土壤性质的煅烧方法，显示出明显优势。此外，REM工艺已成功扩大到每批处理两公斤土壤，并有望应用于大规模、现场土壤修复。生命周期评估和技术经济分析表明，与传统的土壤修复方法相比，REM工艺在环境友好性和经济性方面具有显著优势，能够大幅减少能耗、温室气体排放、水耗和运营成本。
在本研究中，研究人员开发了一种创新的快速电热矿化（REM）技术，用于有效修复全氟和多氟烷基化合物（PFAS）污染的土壤。利用环境相容性好的生物炭作为导电添加剂，通过直流脉冲输入，能在数秒内将受污染土壤的温度迅速提升至超过1000°C，实现PFAS的矿化，转化为天然存在且无毒的氟化钙（CaF2）。图1展示了REM处理PFOA污染土壤的全过程，包括概念设计、实验样例、电流和温度曲线，以及PFOA含量和19F NMR谱图的变化。
REM技术的关键在于利用土壤和生物炭中固有的高钙含量，在封闭系统中进行处理，几乎不产生有害的氟碳气体排放。实验结果表明，REM技术对各种PFAS实现了超过99%的高去除效率和超过90%的矿化比率，证明了其广泛的适用性。此外，REM技术在增加处理后土壤中可交换养分供应的同时，保持了土壤颗粒大小、组成和水分渗透率，避免了耗时且严重降低土壤性质的传统煅烧方法。
为了证明REM技术的普适性，研究人员不仅对PFOA进行了研究，还对PFOS、PFHxS和PFBS等其他PFAS进行了矿化行为研究。图2展示了不同PFAS的矿化效率和矿化比率，以及19F NMR谱图的变化，证实了REM技术对各种PFAS的有效去除。
此外，REM技术还成功应用于处理含氟聚合物，如聚四氟乙烯（PTFE），实现了约95%的高矿化比率。图3进一步探讨了PFAS矿化过程中钙离子的作用机制，通过XRD、XPS、IR光谱分析和理论计算，揭示了钙离子在PFAS矿化过程中的关键作用。
REM处理后土壤的物理和化学性质得到了详细研究。图4展示了REM土壤与原始土壤和煅烧土壤在水分渗透率、pH、阳离子交换容量（CEC）、土壤碳含量和可交换养分含量方面的比较。此外，通过培养节肢动物（如跳虫和等足目动物），评估了REM土壤在生态系统中的适用性，结果表明REM土壤与清洁原始土壤具有可比的节肢动物存活率。
为了评估REM技术的实用性，研究人员进行了初步的规模化研究，并开发了新一代REM系统，能够处理每批高达7克的受污染土壤。图5展示了REM技术的规模化潜力、生命周期评估（LCA）和技术分析（TEA）。结果显示，REM技术在能耗、温室气体排放、水资源消耗和运营成本方面均优于现有技术，显示出作为环保和经济有效的土壤修复替代方案的潜力。
总结与展望
本文提出了一种创新的快速电热矿化（REM）方法，用以有效修复全氟和多氟烷基化合物（PFAS）污染的土壤。PFAS是一类广泛使用的人造化学品，因其持久性和生物累积性而对环境和人类健康构成重大威胁。传统的PFAS降解技术存在效率不高、能耗和水耗大或缺乏普遍适用性等问题。REM技术通过使用环境友好的生物炭作为导电添加剂，在数秒内将污染土壤的温度提升至超过1000°C，并通过电流脉冲输入，将PFAS转化为土壤中固有的钙化合物形成的非毒性氟化钙。这一过程不仅对多种PFAS污染物具有超过99%的高去除效率和超过90%的矿化比率，而且在保持土壤颗粒大小、组成、水分渗透率和阳离子交换能力的同时，还促进了土壤中可交换养分的供应和节肢动物的生存率，这比耗时且严重降低土壤性质的传统煅烧方法要优越得多。
研究进一步展示了REM技术的普适性，证明了它不仅适用于PFOA，还适用于包括PFOS、PFHxS和PFBS在内的其他PFAS。此外，REM技术在处理公斤级土壤时显示出了高效率和均匀性，表明了其在大规模、现场土壤修复方面的应用潜力。生命周期评估和经济技术分析显示，与传统的土壤修复方法相比，REM技术在能耗、温室气体排放、水资源消耗和运营成本方面都有显著降低，是一种环境友好且经济的修复方法。这些结果不仅证实了REM技术的高效性和环境效益，还展示了其在实际应用中的巨大潜力。未来的研究可以进一步优化REM技术，探索其在不同类型土壤和污染物中的应用，并推动其商业化进程。
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 . Electrothermal mineralization of per- and polyfluoroalkyl substances for soil remediation. Nat Commun 15, 6117 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49809-6
