全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）對水體的污染在全球范圍內(nèi)廣泛存在且呈上升趨勢，這給此類物質(zhì)的生產(chǎn)商、使用者，以及廢物處理公司、修復(fù)工程企業(yè)和立法機(jī)構(gòu)帶來了日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這導(dǎo)致該類物質(zhì)的生產(chǎn)和使用受到限制。此外，還需要高效且經(jīng)濟(jì)的工藝來去除地下水、地表水和廢水中的 PFAS。特殊離子交換樹脂的應(yīng)用，使得這種凈化過程能夠通過技術(shù)成熟的工藝實現(xiàn)，且可大規(guī)模推廣。PFAS 的去除率幾乎能達(dá)到 ppt 級別的檢測限（即接近完全去除）。
面臨的挑戰(zhàn)
全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）：這是一類包含超過 10,000 種物質(zhì)的群體，自 20 世紀(jì) 50 年代以來被大規(guī)模生產(chǎn)并應(yīng)用于多個領(lǐng)域 —— 僅舉幾例，如滅火泡沫、紡織品和紙張的浸漬劑，以及潤滑劑等。這類物質(zhì)均含有碳 - 氟原子鍵，而碳 - 氟鍵是有機(jī)化學(xué)中最穩(wěn)定的化學(xué)鍵之一。這意味著 PFAS 屬于 “持久性化學(xué)物質(zhì)”，在環(huán)境中幾乎不會分解，因此會隨著時間在自然界和生物體中不斷累積。為應(yīng)對這一問題，許多國家現(xiàn)已設(shè)定了極低的限值標(biāo)準(zhǔn)，尤其是針對地下水和飲用水。要達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，就需要高效的凈化技術(shù)，其中主要包括吸附工藝，例如使用顆粒活性炭（GAC）或離子交換（IEX）樹脂。一個復(fù)雜因素是，不同的 PFAS 在性質(zhì)上存在顯著差異 —— 例如分子量、鏈長或極性等。因此，在一個或幾個處理步驟中實現(xiàn) PFAS 的深度去除是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要專門定制的吸附材料。此外，吸附工藝與膜工藝（如反滲透）相結(jié)合，是另一種高效的 PFAS 去除方案。
最終，全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）可在高能條件下被銷毀 —— 例如，通過等離子體放電或化學(xué)及電化學(xué)氧化等方式。這些工藝中，有許多仍處于研發(fā)或測試階段。在高壓和高溫環(huán)境下，氫氧化鈉等物質(zhì)也能銷毀多種 PFAS（即水熱堿處理，簡稱 HALT）。純粹的熱分解是目前最常用的銷毀工藝，但需要 1000°C 以上的高溫。
離子交換：一種高度可配置的解決方案
在全球范圍內(nèi)，離子交換（IEX）樹脂已證明，其可通過經(jīng)濟(jì)高效的大規(guī)模應(yīng)用達(dá)到所需限值，并且能將各類 PFAS 吸附至檢測限水平 —— 即便在存在其他離子的情況下，也能實現(xiàn)對 PFAS 的結(jié)合與去除。
例如，在澳大利亞維多利亞州的一座機(jī)場，離子交換樹脂已成功用于處理地下水中的高濃度 PFAS。這些 PFAS 源自此前消防訓(xùn)練場地的消防演練，濃度高達(dá) 200ppb。該移動處理裝置的離子交換配置包括：可再生弱堿性陰離子交換樹脂 Lewatit® MP 62 WS，其后是采用主 - 副（lead/lag）配置的高選擇性一次性陰離子交換樹脂 Lewatit® TP 108。第一個過濾器吸附了大部分 PFAS，剩余的微量 PFAS（主要為全氟丁酸，PFBA）則通過高選擇性樹脂被有效降至不可檢測水平（見圖 1）。由于該樹脂具有快速動力學(xué)特性，即便在較短的停留時間（空床接觸時間，EBCT）下，也能實現(xiàn)高水平的 PFAS 截留。因此，該裝置每日可凈化多達(dá) 500 立方米的水，總凈化量超過 5400 萬升。
此類樹脂的有效吸附容量高達(dá) 100 克 / 升（即便在存在氯化物和硫酸鹽的情況下亦是如此），遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的活性炭過濾法。值得注意的是，在這一終端處理階段，其達(dá)到了 10,000 床體積（BV）的高處理量，從而減少了負(fù)載樹脂的用量，相應(yīng)降低了處置成本。
在一項對比研究中，對顆?；钚蕴浚℅AC）和離子交換（IEX）樹脂在五年運營期內(nèi)的成本進(jìn)行了評估。結(jié)果顯示，即便樹脂僅一次性使用且不進(jìn)行再生，其成本仍比活性炭過濾法低近 60%。盡管顆?；钚蕴康某跏疾牧铣杀据^低，但離子交換樹脂約五倍于前者的使用壽命，是此處成本優(yōu)勢的決定性因素。
若對離子交換（IEX）樹脂進(jìn)行再生，且能高效銷毀再生液中的 PFAS，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢可進(jìn)一步凸顯。此類再生工藝的優(yōu)勢尤為明顯 —— 尤其是在水中 PFAS 濃度較高的情況下 —— 這不僅能延長樹脂的使用壽命，還能實現(xiàn)可持續(xù)利用。
目前，Lewatit® TP 108 DW 樹脂不建議再生，原因在于其使用壽命長、PFAS 負(fù)載量高且結(jié)合緊密。相比之下，單分散樹脂 Lewatit® MonoPlus TP 109 的 PFAS 選擇性雖略低，但可通過 70% 甲醇水溶液（添加 1% 氯化鈉）實現(xiàn)高效再生。
此外，弱堿性陰離子交換樹脂 Lewatit® MP 62 WS 在吸附 PFAS 后，可采用氫氧化鈉進(jìn)行再生。由于該樹脂具有較高的可用容量和總?cè)萘浚虼颂貏e適用于高 PFAS 含量水體的預(yù)處理。
從受污染原水中獲取潔凈飲用水
Lewatit® TP 108 DW 樹脂擁有 ANSI/NSF 61 認(rèn)證，這意味著它也可用于飲用水處理。使用前無需沖洗（通常需沖洗≥20 個床體積）。例如，在美國賓夕法尼亞州，該樹脂被用于處理地下水以生產(chǎn)飲用水。由于該地區(qū)鄰近一處舊軍事基地，地下水中多種 PFAS 含量極高（如：全氟辛烷磺酸 [PFOS] 達(dá) 429 ppt、全氟辛酸 [PFOA] 達(dá) 174 ppt、全氟己烷磺酸 [PFHxS] 達(dá) 210 ppt），而其中前兩種物質(zhì)的最大污染物限值（MCL）僅為 4 ppt。通過小型快速柱試驗（RSSCT）證明，使用這種選擇性樹脂，可在處理數(shù)萬床體積的水后仍滿足上述限值要求。
在美國新澤西州的一家市政水處理廠中，這種選擇性樹脂也展現(xiàn)出極長的使用壽命。
該廠設(shè)有兩條并行處理線，每條線包含兩個容器，每個容器裝有 5.7 立方米的樹脂。即使在高達(dá) 70 立方米 / 小時的高流速下，水中的 PFAS 混合物（主要為全氟壬酸 [PFNA]）濃度也被降至遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)貒?yán)格限值的水平。在主 - 副（lead/lag）配置中，主容器內(nèi)的樹脂在處理近 200,000 床體積的水、使用三年后（圖 3），仍能滿足新澤西州飲用水管理部門的嚴(yán)格要求，甚至符合美國國家環(huán)境保護(hù)局（EPA）的標(biāo)準(zhǔn)（其中 PFOA 和 PFOS 的 MCL 為 4 ppt，PFNA 的 MCL 為 10 ppt）。
上游的 5 微米過濾器主要用于分離懸浮物，否則這些懸浮物會污染樹脂。隨后去除水中的微量鐵和錳，接著對水進(jìn)行氯消毒。
高效的廢水處理
在意大利北部威尼托大區(qū)阿爾齊尼亞諾開展的一項對比試驗中，Lewatit® TP 108 DW 樹脂的優(yōu)異性能得到了驗證。當(dāng)?shù)匾患抑聘飶S的廢水中含有 61 ppt 的全氟辛烷磺酸（PFOS）和 44 ppt 的全氟辛酸（PFOA），經(jīng)該樹脂處理后，這兩種物質(zhì)均被去除至檢測限水平（見圖 4）。即使處理量達(dá)到 60,000 床體積，其運行依然穩(wěn)定；而使用顆粒活性炭（GAC）和另一種 PFAS 專用競爭樹脂時，則出現(xiàn)了穿透現(xiàn)象 —— 前者在處理 23,000 床體積（GAC 處理 PFOA）和 45,000 床體積（GAC 處理 PFOS）時穿透，后者在處理 45,000 床體積（競爭樹脂處理 PFOA）時穿透。
針對不同鏈長 PFAS 的特異性結(jié)合方式
尤其在去除長鏈 PFAS（含 8 個以上碳原子）時，離子交換樹脂的效率會更高。這是因為，除了與 PFAS 分子親水性的羧酸或磺酸 “頭部” 發(fā)生離子相互作用外，樹脂的芳香族聚合物骨架還能與氟化物PFAS非極性的“尾部” 產(chǎn)生微弱的疏水相互作用 —— 即通過協(xié)同作用形成結(jié)合關(guān)系。
短鏈（含 4-7 個碳原子）和超短鏈（≤3 個碳原子）PFAS 近年來愈發(fā)受到關(guān)注。 超短鏈 PFAS 包括三氟乙酸（TFA）、三氟甲磺酸（TFMS）、全氟丙酸（PFPrA）和三（五氟乙基）三氟磷酸酯（FAP）等。盡管這些物質(zhì)污染對環(huán)境和健康的影響尚未得到廣泛研究，但由于其持久性強(qiáng)，仍需從飲用水、地表水和地下水中去除。此外，它們作為長鏈 PFAS 的工業(yè)替代品使用量日益增加，這使得去除這類物質(zhì)變得更為重要。
尤其是短鏈 PFAS，其在顆粒活性炭（GAC）上的吸附效果不佳，且容易再次脫附。目前，膜工藝（如反滲透和納濾）以及離子交換樹脂吸附在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多前景。就離子交換樹脂而言，若能高效銷毀再生液中濃縮的 PFAS，那么強(qiáng)堿性和弱堿性陰離子交換樹脂均可使用，且部分可再生。Lewatit® MP 62 WS 便是這類可再生弱堿性陰離子交換樹脂之一，其還具有高負(fù)載容量，例如對全氟丙酸（PFPrA）的負(fù)載容量為 10.3 克 / 升，對全氟丁酸（PFBA）的負(fù)載容量高達(dá) 145 克 / 升。
通常而言，吸附短鏈 PFAS 所需的停留時間比吸附長鏈 PFAS 更長。因此，長鏈 PFAS 應(yīng)在上游工藝步驟中分離，因為它們能更快、更牢固地與樹脂結(jié)合。若存在競爭性離子（如氯離子或硫酸根離子），或希望將 PFAS 殘留濃度降至極低水平，建議使用強(qiáng)堿性離子交換樹脂，如 Lewatit® TP 108 DW。
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