新型烷基胺改性二醛纤维素纳米纤维对PFAS吸附的高效去除研究

作者及发表信息
本研究由Duning Li、Rasel Das、Yi Zhang、Size Zheng、Miral Oltulu、Arjun K. Venkatesan和Benjamin S. Hsiao*合作完成，主要作者单位包括美国纽约州立大学石溪分校化学系和新泽西理工学院环境工程系。研究成果发表于ACS EST Water期刊2025年第5卷，页码1582–1594，文章标题为《Alkylamine-Modified Dialdehyde Cellulose Nanofibers for PFAS Adsorption》。

学术背景
全氟和多氟烷基物质（Per- and Polyfluoroalkyl Substances, PFAS）是一类具有持久性、生物累积性和毒性的“永久化学品”，广泛存在于饮用水源中。传统的吸附材料（如活性炭）对短链PFAS的去除效率较低，且合成过程可能带来环境负担。纤维素作为地球上最丰富的天然高分子，因其可降解性和可修饰性成为理想吸附剂候选。本研究旨在开发一种基于木质浆粕的烷基胺改性二醛纤维素（C-DAC）纳米纤维吸附剂，通过调控烷基链长度（C4、C8、C12）优化其悬浮性与疏水性，以高效去除长链（如PFOS、PFOA）和短链（如PFBA）PFAS。

研究流程
1. 材料合成与表征
- 二醛纤维素（DAC）制备：以漂白木浆为原料，通过高碘酸钠选择性氧化C2和C3位点引入醛基，反应条件为55°C、24小时，产物经洗涤至滤液电导率<10 μS/cm。
- 烷基胺接枝：将DAC与不同链长的烷基胺（丁胺C4、辛胺C8、十二胺C12）通过还原胺化反应接枝，使用2-甲基吡啶-硼烷复合物为还原剂，反应72小时，最终产物经均质化处理得到0.3 wt%悬浮液。
- 表征技术：采用FT-IR验证官能团，TEM观察纤维形貌，BET测定比表面积（C8-DAC为7.31 m²/g，C4-DAC为36.39 m²/g），接触角测试疏水性（C12-DAC达148°），元素分析计算胺基含量（C12-DAC最高，1.29 mmol/g）。

1. 吸附实验

   • 动力学研究：在10 ppb PFAS浓度下，C8-DAC对PFOS和PFOA的吸附在1分钟内达90%以上，而PFBA需更长时间。
     
   • 等温吸附：Langmuir模型拟合显示，C8-DAC对PFOS、PFOA和PFBA的最大吸附容量分别为697 mg/g、346 mg/g和132 mg/g，显著优于颗粒活性炭（GAC）。
     
   • 离子竞争实验：探究共存阴离子（如SO₄²⁻）对PFBA吸附的抑制效应，证明静电相互作用为主导机制。
     

2. 分子动力学（MD）模拟

   • 模拟C8-DAC与PFAS的吸附过程，径向分布函数表明PFOS与胺基的静电作用最强（峰值为5 Å），疏水相互作用次之。能量曲线显示库仑势能（-80至-140 kcal/mol）远高于范德华力，验证了静电主导的协同吸附机制。
     

主要结果
- C8-DAC性能最优：因平衡了电荷可及性与适度疏水性，其PFBA吸附容量是C4-DAC和C12-DAC的2倍，且对PFOA的吸附量是GAC的4倍。
- 再生能力：NaOH溶液可脱附70–80%的PFAS，无需有机溶剂，降低了处理成本。
- 机制揭示：静电相互作用主导吸附，疏水作用辅助形成胶束状结构，尤其增强短链PFAS的去除。

结论与价值
本研究开发的C8-DAC不仅实现了对长链和短链PFAS的高效去除（如PFBA吸附量达230 mg/g），还通过木质生物质废弃物的资源化利用，兼具环境与经济双重效益。其再生简易性（碱性溶液洗脱）和优于传统材料的吸附性能，为实际水处理提供了可持续解决方案。

研究亮点
1. 创新材料设计：首次将烷基胺链长调控策略应用于纤维素改性，C8长度展现出最优平衡。
2. 机理深度解析：结合实验与MD模拟，明确了静电与疏水作用的协同效应。
3. 应用潜力：吸附后可固化成中孔固体，兼具絮凝剂和再生吸附剂双重功能。

其他价值
研究还对比了共存离子的影响，发现多价阴离子（如PO₄³⁻）显著抑制吸附，为复杂水体中PFAS去除的工艺优化提供了理论依据。此外，MD模拟方法为后续吸附剂设计提供了高效预测工具。