如何消除有害的“永久性化学物质”污染
为从饮用水中清除全氟和多氟烷基物质（PFAS）而开展的监管行动，催生了对能够捕获并销毁这类化学物质的技术的迫切需求。
北卡罗来纳州威尔明顿市附近的斯威尼水处理厂使用颗粒活性炭来去除全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染。图片来源：开普菲尔公共事业管理局
今年2月，14辆卡车从北卡罗来纳州的威尔明顿出发，车上载着有毒货物：超过150吨类似沙砾的碳，这些碳吸附了该市饮用水中的有害化学物质。
这些卡车将这些碳运往了距离最近的可用“再生”窑炉之一，该窑炉位于纽约州布法罗市，在威尔明顿以北1200公里处。在那里，近1000摄氏度的高温将这些化学物质烧掉，把它们分解成简单的气体分子，随后这些气体分子会转化为矿物质。本月，经过再生处理的碳将搭乘卡车返回南方。
威尔明顿市饮用水厂的经理本杰明·卡恩斯表示，整个冬天他都在关注布法罗的天气预报——他担心自己的净水作业会受到干扰，因为水厂每个月都依赖着精心安排时间供应的新鲜碳。“如果有暴风雪，我就会很担心。”他说。
从技术上讲，这种碳被称为颗粒活性炭（GAC），它是一套价值4300万美元的系统的核心部分。该系统于2022年开始运行，旨在清除威尔明顿市饮用水中的全氟和多氟烷基物质（PFAS）。如今，这些合成化学物质已遍布全球——它们被用于制造电脑芯片、锂离子电池、医疗设备、防污纺织品和防污涂层等众多产品——而且其中一些对人体健康有害。这些物质也被称为“永久性化学物质”，由于其强大的碳氟键，它们很难被自然降解。
卡恩斯所在的水厂处于大规模修复行动的前沿。2024年4月，美国环境保护署（EPA）对全国饮用水中6种全氟和多氟烷基物质（PFAS）的浓度设定了严格的限制标准。该机构估计，这项规定将使约1亿美国居民减少对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的接触。
如今，如何最好地清除全氟和多氟烷基物质（PFAS）已成为一个价值数十亿美元的问题。美国环境保护署（EPA）估计，美国的公用事业公司每年可能需要花费高达15亿美元用于处理系统；一个正在起诉该机构的行业组织认为，在未来5年内，成本可能高达480亿美元。各公用事业公司必须在2029年前安装好处理系统。
欧洲国家也制定了限制饮用水中全氟和多氟烷基物质（PFAS）含量的规定。欧盟的相关规定从2026年起生效，但允许的浓度比美国环境保护署（EPA）规定的要高；不过，丹麦和德国等国家设定了更严格的限制标准。
对全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染清理市场的担忧和看好，引发了人们对寻找更好的捕获和销毁“永久性化学物质”方法的热潮。虽然颗粒活性炭（GAC）确实有效——它是一种多孔材料（或吸附剂），可以捕获并容纳污染物——但它对所有全氟和多氟烷基物质（PFAS）的捕获效果并不相同。北卡罗来纳大学教堂山分校的高分子化学家弗兰克·莱布法斯指出，将碳用卡车运来运去，以便在再生窑炉中销毁所收集的全氟和多氟烷基物质（PFAS），这也加剧了气候变化。
在斯威尼水处理厂，饮用水要通过巨大水箱中近4米厚的颗粒活性炭层进行过滤。图片来源：开普菲尔公共事业管理局
而且，尽管美国环境保护署（EPA）关注的重点是饮用水，但科学家们希望通过从其他环境来源中去除全氟和多氟烷基物质（PFAS），防止它们进入水体。生产和使用全氟和多氟烷基物质（PFAS）的工业设施，从氟化学制品制造商到造纸厂和纺织厂等，常常将其废水排放到城市污水处理厂（污水处理设施）。但这些污水处理厂通常没有配备去除全氟和多氟烷基物质（PFAS）的设备，因此它们排放的废水会将“永久性化学物质”排入河流。从河流中，全氟和多氟烷基物质（PFAS）可以直接进入饮用水源，或者通过渗入土壤间接进入饮用水源。
污水处理后留下的污泥也会积累全氟和多氟烷基物质（PFAS）。在世界上的一些地方，这种富含营养物质的污泥，即所谓的生物固体，被当作肥料施用于农田。在缅因州等州，产出受全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染食品的农场已经关闭。而且，一种含有全氟和多氟烷基物质（PFAS）的灭火泡沫已经污染了土壤，并渗入了全球各地军事基地和机场周围的地下水，因为过去这些地方经常在消防训练演习中使用这种泡沫。
随着截止日期的日益临近，学术研究人员和企业正在开发从这些来源中收集和销毁全氟和多氟烷基物质（PFAS）的方法。“现在有很多不断发展的技术。”在马萨诸塞州波士顿市的工程公司CDM Smith工作、专门从事全氟和多氟烷基物质（PFAS）修复的专家伊恩·罗斯说。
捕获污染物
在卡恩斯所在的斯威尼水处理厂的二楼，储存在多达8个混凝土水箱中的饮用水静静地流过近4米厚的颗粒活性炭（GAC）。“为了处理全氟和多氟烷基物质（PFAS），需要这么多的碳，这真令人惊讶。”北卡罗来纳大学教堂山分校的工程师奥兰多·科罗内尔说。他正与莱布法斯合作，在该水厂测试一种新型吸附剂。
这家由开普菲尔公共事业管理局（CFPUA）运营的水厂为沿海城市威尔明顿的20万居民提供服务。它从开普菲尔河取水，2017年的检测显示，该河水中含有高浓度的美国环境保护署（EPA）监管的6种全氟和多氟烷基物质（PFAS）之一，名为GenX（见“开普菲尔河与全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染”）。这些分子来自上游160公里处，氟化学制品制造商科慕公司（Chemours）在那里生产用于电子和电池制造等用途的全氟和多氟烷基物质（PFAS），并将其排放到河中。
来源：RTI国际公司（改编自https://go.nature.com/429E3DL）
在开普菲尔公共事业管理局（CFPUA）安装了吸附剂系统后，GenX和其他几种全氟和多氟烷基物质（PFAS）的含量下降了（并且低于美国环境保护署（EPA）的新限制标准）。在该系统的设计和建设过程中，北卡罗来纳州的州环境机构起诉了科慕公司（Chemours），当地一个非营利组织也通过联合起诉这两家机构施加了压力。双方最终达成和解：科慕公司（Chemours）否认有不当行为，但对其全氟和多氟烷基物质（PFAS）排放安装了更好的控制措施，包括一道1.6公里长的地下隔离墙，以及一套颗粒活性炭（GAC）过滤系统，该系统收集工厂附近的地表水和地下水，并去除全氟和多氟烷基物质（PFAS）。该公司表示，已在其工厂投资超过4亿美元，用于修复全氟和多氟烷基物质（PFAS）排放问题并限制未来的排放。开普菲尔公共事业管理局（CFPUA）目前正在起诉科慕公司（Chemours），要求其支付斯威尼过滤系统的费用。
科罗内尔说，颗粒活性炭（GAC）通常是有效的，但它是一种“广谱”吸附剂，会将其吸附的所有物质都捕获到其疏水性（拒水）孔隙中，而不仅仅是全氟和多氟烷基物质（PFAS）。斯威尼水厂接收的水中溶解有机物的含量比全氟和多氟烷基物质（PFAS）高得多，这些有机物会与全氟和多氟烷基物质（PFAS）竞争颗粒活性炭（GAC）孔隙中的空间。美国环境保护署（EPA）清单上的6种分子吸附得足够好，但任何具有较短疏水性含氟尾部的全氟和多氟烷基物质（PFAS）则不然。随着颗粒活性炭（GAC）的孔隙被填满，短链全氟和多氟烷基物质（PFAS）可能会穿过孔隙重新进入饮用水中。
特别是超短链全氟和多氟烷基物质（那些具有三碳或更短的氟化尾部的物质）令研究人员感到担忧（见“全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染物”），因为在科慕公司（Chemours）下游的水域以及半导体制造设施附近都发现了这些分子。在开普菲尔公共事业管理局（CFPUA）检测到处理后的饮用水中存在两种超短链全氟和多氟烷基物质（PFAS）后，该水厂开始大约每200天更换一次颗粒活性炭（GAC），而不是之前捕获GenX时大约每300天更换一次。这几乎使该厂的碳再生成本增加了一倍。
其他已有的捕获全氟和多氟烷基物质（PFAS）的方法也各有利弊。一种名为离子交换树脂的吸附剂通过静电相互作用广泛地捕获污染物：美国环境保护署（EPA）监管的6种全氟和多氟烷基物质（PFAS）都带有负电荷，它们通过与树脂上带负电荷的成分交换位置而附着在树脂上。
位于罗利的北卡罗来纳州立大学的环境科学家德特勒夫·克纳普说，处理相同量的水，离子交换树脂的用量比颗粒活性炭（GAC）少，但成本却是颗粒活性炭（GAC）的五到六倍。水中的硝酸盐离子会堵塞树脂，降低其成本效益，而且这些树脂在饮用水处理设施中只使用一次，因为清洗树脂通常需要用甲醇冲洗，而甲醇是一种毒性不可接受的溶剂。
另一种方法是使用膜来分离水中的污染物。在反渗透过程中，机械压力迫使水通过一个带有微小孔隙的膜：几乎纯净的水会通过膜，而其他所有物质则留在另一侧，形成一种逐渐变咸的混合物。膜系统的建设成本更高——当开普菲尔公共事业管理局（CFPUA）评估各种方案时，反渗透的成本是吸附剂系统的三倍。（但克纳普说，如果吸附剂需要更频繁地更换，那么膜系统就会变得更具成本效益。）反渗透还会产生大量含有全氟和多氟烷基物质（PFAS）的咸水，很难处理。
针对性的全氟和多氟烷基物质（PFAS）捕获剂
许多研究人员正在发明能够更有选择性地捕获全氟和多氟烷基物质（PFAS）的吸附剂，通常涉及多种化学相互作用同时进行。在斯威尼水厂一楼的颗粒活性炭（GAC）水箱下方，科罗内尔和莱布法斯正在测试一种专有的吸附剂。到目前为止，在短链分子穿透之前，这种吸附剂的使用时间是开普菲尔公共事业管理局（CFPUA）使用的颗粒活性炭（GAC）的三倍，比性能最佳的离子交换树脂长40%。卡恩斯说，一种可能性是添加一层新的吸附剂，以捕获从颗粒活性炭（GAC）中逃逸的全氟和多氟烷基物质（PFAS），从而延长送往再生窑炉的间隔时间。
一些研究人员正在更脏、成分更复杂的全氟和多氟烷基物质（PFAS）来源（如废水）上测试他们的吸附剂。最脏的是积聚在垃圾填埋场底部的液体（垃圾渗滤液），通常必须用卡车将其抽出并运往最近的污水处理厂进行处理。“那真的很脏。”伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的化学家威廉·迪希特尔说，他计划在垃圾渗滤液上测试一种吸附剂。
一般来说，吸附剂对长链全氟和多氟烷基物质（PFAS）的捕获效果比对短链的要好。对于富含短链全氟和多氟烷基物质（PFAS）的水，昂贵的膜系统可能被证明是必要的：一项研究发现，纳滤使用的膜孔隙稍大，产生的废物比反渗透少，能从半导体废水中捕获超过90%的超短链全氟和多氟烷基物质（PFAS）。
另一个想法是重新配置颗粒活性炭（GAC）本身。这种材料的孔隙形状不规则，但哥伦比亚密苏里大学的碳化学家倪攀（音译）和他的同事在一次会议上报告的初步研究表明，这些孔隙可以重新排列成纳米尺寸的通道。如果通道直径合适，颗粒活性炭（GAC）可能开始只针对短链分子。
销毁捕获的全氟和多氟烷基物质（PFAS）
每种吸附剂最终都会饱和。如何最好地销毁积累的全氟和多氟烷基物质（PFAS）现在是一个关键问题，也是一个价值数十亿美元的市场。
选择使用颗粒活性炭（GAC）净化水的公用事业公司可以效仿斯威尼水厂的做法，将饱和的颗粒活性炭（GAC）运往再生窑炉。另一种选择是焚烧，这也是处理用过的一次性树脂的常用方法。焚烧只是在有氧气的情况下通过燃烧来销毁物质——“一种失控的反应”，克纳普说——而颗粒活性炭（GAC）的再生是在无氧条件下进行的受控过程。
理想情况下，这两种处理方法都能打破每一个碳氟键，并以氟化氢气体的形式释放氟。然后，这种气体可以通过含有类似小苏打等碱性试剂的“洗涤器”，将其转化为无害的矿物质，如氟化钠。
但目前尚不清楚全氟和多氟烷基物质（PFAS）是否完全矿化，因为一些实验室研究无法使输入的氟的质量与从处理产物中回收的氟的质量相匹配。这表明，一些全氟和多氟烷基物质（PFAS）可能只是被分解成了更小的气态全氟和多氟烷基物质（PFAS）分子，这些分子更难捕获，可能会扩散到空气中。
不过，总部位于马萨诸塞州诺韦尔、专门从事危险废物焚烧和填埋的废物管理公司Clean Harbors的分析化学家安妮·卢·德威特说，这种气体可以用焚烧炉设施中已经安装的那种过滤器来捕获，这些设施经常处理危险废物。
在添加钙矿物质的情况下对全氟和多氟烷基物质（PFAS）进行焚烧的测试表明，氟能有效地被锁定在氟化钙中。在澳大利亚，一些含有全氟和多氟烷基物质（PFAS）的废物被送入水泥窑，水泥窑运行温度高且含有大量的钙。然而，完全矿化仍未得到证实。
由于对焚烧效果存在疑问，美国国防部已暂时禁止其设施焚烧含有高浓度全氟和多氟烷基物质（PFAS）的灭火泡沫。该部门正在与美国环境保护署（EPA）和Clean Harbors公司合作，检查焚烧是否会产生一些全氟和多氟烷基物质（PFAS）气体。罗斯说，如果不会产生，预计焚烧将成为首选技术。与此同时，许多初创公司（通常是从学术实验室衍生出来的）已经开发出了销毁全氟和多氟烷基物质（PFAS）的替代方法。其中许多方法利用高能条件将分子分解。这些公司表示，这些技术可以处理灭火泡沫以及不适合焚烧的含有全氟和多氟烷基物质（PFAS）的盐水或生物固体。
在辛辛那提的美国环境保护署（EPA）分析实验室里，装有全氟和多氟烷基物质（PFAS）化学物质GenX的样品小瓶。图片来源：约书亚·A·比克尔/美联社/阿拉米图片社
宾夕法尼亚州的一家名为OnVector的初创公司使用等离子体（电离气体）来分解分子，而北卡罗来纳州莫里斯维尔的374Water公司则使用超临界水（由于高压和高温，水表现得既像气体又像液体）。华盛顿州的Aquagga公司正在商业化的一种技术使用的水的温度和压力比其他公司低，但会添加一种碱性化学物质来启动全氟和多氟烷基物质（PFAS）的销毁过程。
较温和的销毁方法
这些强力方法的替代方案可能会带来更便宜、更简单的系统。例如，去年11月，两个研究小组在《自然》杂志上报告了两种化学催化剂，它们可以在低温下利用光使全氟和多氟烷基物质（PFAS）矿化。其他研究小组正在试验电驱动方法或使用催化剂进行机械研磨来销毁全氟和多氟烷基物质（PFAS）。
北卡罗来纳州伯灵顿的初创公司Invicta Water已经在对从附近卡里市（距离斯威尼水厂上游约320公里）的饮用水中提取的水样进行一种方法的现场测试。该公司使用紫外线来触发附着在氮化硼纳米颗粒上的全氟和多氟烷基物质（PFAS）发生化学反应。
迪希特尔的团队在2022年因报告了一种温和的方法而广受关注，该方法通过在一种名为二甲基亚砜（DMSO）的溶剂中加热来销毁某些种类的全氟和多氟烷基物质（PFAS）。该团队现在正试图创建一个系统，通过二甲基亚砜（DMSO）将全氟和多氟烷基物质（PFAS）从吸附剂上冲洗下来，并将它们无缝转移到销毁步骤。
随着全氟和多氟烷基物质（PFAS）销毁技术的不断涌现，学术研究人员越来越呼吁提供更强有力的矿化证据。检查全氟和多氟烷基物质（PFAS）销毁效果的一种常用方法是测试处理后的水，但研究人员表示，需要的是量化收集到的氟化物的量，并确认没有产生全氟和多氟烷基物质（PFAS）气体。
在野外环境中
从施用过生物固体或喷洒过灭火泡沫的土地上清除全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一项更艰巨的挑战。许多地方已经被污染了很长时间。“我们研究过的最古老的污染场地已有40年的历史了。”印第安纳州西
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