本文是研究PFAS（全氟和多氟烷基物质）污染治理技术的综述性论文，由南开大学环境科学与工程学院、内蒙古大学生态与环境学院等机构的Xuemei Zhu、Chao Yang等学者合作完成，发表在Environmental Science & Technology期刊上，具体发表时间未明确标注，但从文献引用时间推测为2025年左右。论文聚焦PFAS的环境持久性难题，系统梳理了还原性脱氟技术的研究进展、机理和未来挑战。

主要作者与机构

• 通讯作者：
  
  • Chengmei Liao（南开大学环境科学与工程学院/内蒙古大学生态与环境学院）
    
  • Xin Wang（南开大学环境科学与工程学院）
    
• 其他作者：Xuemei Zhu、Chao Yang、Qing Du等，来自南开大学及河北农业大学海洋学院等机构。
  

论文主题与背景

PFAS是一类因C-F键高稳定性而难降解的持久性污染物，广泛存在于水体、土壤和生物体中，具有生物累积性和毒性。传统氧化降解技术仅能生成短链氟化衍生物，无法彻底矿化PFAS。本文提出还原性脱氟（Reductive Defluorination）作为突破性策略，通过直接断裂C-F键实现PFAS的彻底降解。其科学背景包括：
1. 环境现状：PFAS在全球饮用水、南极甚至新生儿血液中普遍检出，美国环保署（EPA）将PFOA/PFOS的饮用水健康建议值修订为极低浓度（0.004–0.020 ppt）。
2. 技术瓶颈：吸附、膜分离等传统方法无法破坏C-F键，而氧化技术易产生二次污染。
3. 还原脱氟优势：通过电子转移直接攻击C-F键，分为间接还原（如hydrated electrons, eaq−；活性氢原子, H*）和直接还原（生物催化/电化学系统）。

主要观点与论据

1. 水合电子（eaq−）介导的间接还原技术

机理与途径：
- eaq−特性：还原电位达−2.9 V（vs SHE），是强还原剂，可通过UV光解无机阴离子（如I−、SO32−）生成。
- PFCA（全氟羧酸）降解：通过两种竞争路径：（1）α位H/F交换生成部分氢化中间体；（2）链缩短反应（DHEH机制：脱羧-羟基化-消除-水解循环），最终矿化为CO2、H2O和F−。例如，PFOA在UV/磺酸盐体系中脱氟率达93%（pH=12）。
- PFSA（全氟磺酸）降解：优先断裂C-S键（键能272 kJ/mol），生成PFCA中间体后进一步脱氟；同时存在中链H/F交换和直接C-C键断裂路径。
- 新兴PFAS：含醚键或氯取代的PFAS（如Cl-PFAS）可通过羟基化促进脱氟。

实验依据：
- 通过时间分辨质谱、DFT计算等证实链缩短是彻底脱氟的关键（如PFOA的DHEH路径）。
- UV/磺酸盐体系在碱性条件下效率最高（pH>10），因eaq−的生成不受H+抑制。

2. 原子氢（H*）介导的间接还原技术

催化剂设计：
- Pd基催化剂：通过膜催化剂薄膜反应器（MCFR）实现80% PFOA降解率，Pd-H*稳定吸附促进C-F键断裂；但需避免H2副反应（Heyrovsky/Tafel路径）。
- 双金属纳米颗粒：如Pd-Rh合金，Pd吸附PFAS，Rh活化C-F键，脱氟速率比单金属高5–12倍。

挑战：
- 催化剂中毒（氟离子屏蔽活性位点）；
- 需抑制H*重组，可通过单原子催化剂（SACs）提升原子利用率（>95%）。

3. 电化学与生物催化直接还原技术

电化学系统：
- 电极修饰：季铵盐修饰阴极增强PFAS吸附，如PFMeUPA在−1.6 V（vs Ag/AgCl）下脱氟率79%。
- 流动电解系统：优于批次反应器，因传质效率更高。

微生物降解：
- 功能菌株：如KB1菌群可靶向含C=C键的PFAS（如6:2 Cl-PFESA），通过还原脱氟或氢化路径释放F−；Feammox富集培养物对PFOA/PFOS降解率达60%。
- 局限性：菌群活性依赖环境条件（如pH 6.8–7.8），需电能或电子供体（如微生物电解细胞，MECs）辅助。

4. 影响脱氟效率的关键参数

• 溶液环境：电解质（如SO32−）浓度需优化，过高会竞争eaq−；共存阴离子（NO3−、Cl−）和天然有机物（如腐殖酸）可能抑制反应。
  
• pH依赖性：
  
  • eaq−体系偏好碱性（pH>10，减少H+对eaq−的猝灭）；
    
  • H*体系适合酸性（促进H*生成）；
    
  • 微生物体系需近中性（pH 6.8–7.8）。
    
• 电势调控：电化学系统中，过负电势导致副反应（如生成非活性的Habs*）。
  

5. PFAS分子结构的影响

• 头基效应：−SO3−比−COO−更易触发C-S键断裂；
  
• 链长与取代基：长链PFSAs脱氟率更高；含醚键（如PFECA）通过C-O键断裂促进矿化；氯取代（Cl-PFAS）增强生物可利用性。
  

研究意义与价值

1. 科学价值：系统揭示了还原脱氟的电子转移机制与结构-活性关系，为设计高效降解技术提供理论框架。
   
2. 应用价值：提出多技术联用（如光催化-电化学-生物降解）是实现PFAS彻底矿化的可行方向；
   
3. 政策建议：呼吁限制顽固性PFAS（如含−CH2CH2−链接的氟调聚物），推广可降解替代品。
   

亮点与创新

• 机理突破：首次对比eaq−与H*途径对不同结构PFAS的选择性；
  
• 技术整合：提出模块化反应器设计（如MCFR与MECs联用）；
  
• 动态模拟：结合CEP-DFT模型预测电极表面降解路径。
  

未来挑战

• 微生物酶系的鉴定与基因工程改造；
  
• 中间产物的毒性评估与二次污染控制；
  
• 规模化应用中能耗与成本的优化。
  

本文为PFAS治理提供了从分子机制到工程实践的全面视角，是环境科学与技术领域的重要参考。