科学家正在测试两种极具前景的方法来降解PFAS，这类顽固的“永久性化学物质”会在水中积聚，且难以通过常规手段处理。其中一种方法利用坍缩的蒸汽泡产生极端高温和活性分子；另一种方法则利用冷等离子体和上升的气泡将PFAS牵引至表面并将其分解。
第一种方法利用水力空化，在受污染的水中产生并崩塌微小的蒸汽泡。第二种方法结合了冷大气等离子体与气体分散技术。亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）专家进行的分析证实，PFAS分子正在被降解，且在处理过程中释放出了氟化物。
一旦这些技术发展到足以商业化应用的程度，它们就能帮助工业界在受污染废水排入河流、湖泊和海洋之前对其进行处理。
为何PFAS难以销毁
一些PFAS被怀疑会破坏遗传物质并增加患癌风险，尽管该族化合物中许多物质的生物效应仍不为人所熟知。超过10,000种短链和长链工业化学品被归类为PFAS。
它们非凡的持久性源于高度稳定的碳氟键，这是有机化学中发现的最强化学键之一。这种抗性为PFAS赢得了“永久化学品”的绰号。
PFAS可以通过废水进入河流和海洋，现已扩散至全球。研究人员最近还在易北河中检测到了高浓度PFAS，这对植物、动物和人类构成了潜在的健康风险。
作为旨在保护水资源并保障国家饮用水供应的德国“国家水资源战略”的一部分，HZDR的科学家正在研究减少PFAS污染的方法，并致力于系统性销毁这些化学物质，而非仅仅将其去除或转移。
2022年启动的一项初步研究由博士后研究员Ysabel Huaccallo-Aguilar博士领导。她的团队考察了水力空化是否能降解水中的PFAS。
气泡崩塌创造极端条件
“在水力空化过程中，我们让富含PFAS的水流过一个收缩段，从而产生微小的蒸汽泡，”HZDR水与环境技术系负责人Sebastian Reinecke博士解释道。
长链PFAS的表现类似于表面活性物质，导致它们聚集在气泡上。当水流过收缩段后，压力升高，气泡剧烈崩塌。
“当气泡在收缩段下游的水中升高的环境压力下破裂时，附着在气泡上的PFAS会暴露在局部高达数千摄氏度的温度峰值下，”Reinecke解释说。
空化还会产生高活性的羟基自由基。这些分子很容易与附近的物质发生反应，可能有助于销毁PFAS分解初始阶段产生的化合物。
“我们的假设是，它们会攻击中间产物，从而显著促进PFAS的降解。”
Huaccallo-Aguilar和她的同事证明，空化作用可以降解自来水中的PFAS，同时矿化有机结合氟。随着处理过程的持续，水中检测到的氟化物含量稳步增加，表明氟正从原始的PFAS分子中分离出来。
实验重点关注全氟辛烷磺酸酯（PFOS），这是PFAS家族中研究较为透彻且异常持久的一员。测试结束时，该过程降解了约37%的溶解态PFOS分子，同时保持了稳定的分解速率。
“我们正在进行后续实验以提高降解率，”Reinecke解释说，“我们的目标是将工艺改进到能降解溶液中超过80%的PFAS，并矿化化学物质中结合的50%以上的氟——这意味着要断裂PFAS典型的碳氟键。”
冷等离子体快速攻击PFAS
在另一组实验中，环境工程师Amit Kumar博士结合冷大气等离子体与气体分散技术来销毁PFAS。
该方法在正常环境条件下进行，不需要催化剂或添加化学物质。Kumar在博士研究期间曾研究等离子体产生的活性化学物质如何分解微污染物。他将这些发现应用于PFAS实验中。
“我们在水面产生等离子体，同时向受PFAS污染的水中注入气体，”Sebastian Reinecke在解释实验装置时说，“PFAS附着在气泡表面。随着气泡上升，水不断循环。这将PFAS带到了水面，并在等离子体中被分解。”
等离子体处理几乎完全降解了长链和短链PFAS。它还释放了化学物质中原本结合的约35%的氟原子，将其转化为氟盐。
结果显示其速度快于空化处理，但该方法也有重要的缺点。
“虽然该方法的反应动力学比空化显著更快，但单位体积消耗的能量也多得多，”Reinecke指出，“此外，该过程产生了许多我们尚无法详细研究的转化产物——例如反应过程中形成的气态化合物。”
额外的实验正在进行中，以确定这些转化产物中是否有任何物质会构成健康风险。研究人员还希望找出防止潜在有害物质形成的方法。
结合空化与等离子体技术
团队目前正在改进等离子体系统，以处理更大量的受污染水。通过使用多个电极和一个技术气体喷射器，研究人员将反应体积从约50毫升增加到了5升。
他们的长期目标是将等离子体处理与水力空化相结合，将两种技术的优势融合在一个系统中。
“我相信，通过将等离子体中的高活性粒子与空化效应相结合，我们将实现高降解率，”Reinecke说。
如果这种组合方法被证明是成功的，它可能会催生一种新的、更高效的技术，用于在这些化学物质扩散到环境中之前销毁受污染水中的PFAS。
本研究由亥姆霍兹协会的脉冲与网络基金通过亥姆霍兹创新实验室——清洁水技术实验室（CLEWATEC）资助，编号为HIL-A02。项目“HyKaPro SAB-EFRE”和“Plasma4PFAS SAB-EFRE”由欧盟以及萨克森州议会在其州预算中批准的税收收入共同资助。