一种新型胶体形式的活性炭证明了从地下水中有效地去除PFAS
地下水中的PFAS -一个令人生畏的环境挑战
据估计，每氟烷基和多氟烷基物质(PFAS)污染了超过2亿美国人的饮用水1．经过几十年的制造和释放到环境中，PFAS的潜在人类流行病学代价现在才刚刚开始被掌握。PFAS与广泛的健康影响有关，从癌症到生理发育问题和免疫系统缺陷2，3.这只是其中的几个例子。
美国大约40%的饮用水来自地下水，越来越多的珍贵资源被发现含有PFAS4，5．一个邪恶的三位一体的因素造成了:
1.无与伦比的化学持久性6
2.地下水的远距离流动7
3.在消费产品中几乎无处不在，从服装和炊具到纸张和油漆8
含水成膜泡沫仍被用于全球航空设施的灭火，特别是PFAS热点。因此，即使在最偏远的地方，包括北极北极熊的脑组织中，也发现了PFAS9．
地下水中检测到的PFAS浓度通常很低，在每升纳克或万亿分之一(ppt)的范围内。然而，即使在这些低水平，长期接触也可能造成不可接受的健康风险。2021年2月22日，美国环境保护署(EPA)根据《安全饮用水法》作出了对全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)进行监管的最终决定，为将其指定为危险物质和确定最大污染物水平(MCLs)铺平了道路。10．目前，EPA对PFOA和PFOS组合的终身健康建议限值为70 ppt。
在EPA之前，许多州已经确定了地下水中PFOA和PFOS的浓度，超过这些浓度需要采取补救或其他纠正措施(例如，风险评估)。有几个州的“行动水平”接近10ppt，这个浓度相当于在两个奥运会游泳池中均匀地撒上一滴水。有效地解决造成风险的受影响地下水的混杂量，并将PFAS降低到可接受的ppm浓度以下，是当今地下水修复专业人员面临的最重大挑战之一。
目前从地下水中去除PFAS的方法
几十年来，活性炭在世界各地被广泛用于去除有机污染物，主要是通过机械地下水提取和吸附介质(如颗粒活性炭(GAC))过滤。这种泵加处理(P&T)方法是将潜水泵放置在屏蔽抽采井中，以产生水力梯度。快速提取降低了地下水位，形成了一个地下水捕获区，拦截受影响的地下水，并将其泵入地面上的GAC容器，吸收水中的污染物。清洁的水通常会排放到当地的公共污水处理厂。随着时间的推移，GAC将变得饱和，或“消耗”，需要用新的或再生的GAC床来交换消耗过的GAC床。
从历史上看，P&T一直是有效和可靠的非原位地下水修复水文地质学家和工程师用于防止污染物迁移到适当放置的抽取井线以外的方法。然而，使用P&T方法去除PFAS也有缺点。
机械P&T系统的使用需要持续维护，以确保运行效率，并产生必须管理的污染废物流。P&T系统也是能源密集型的，并遵守国家污染物排放消除系统(NPDES)的许可、取样和报告要求，以确保处理过的水被清洁到允许的水平。
人们对即将使用的GAC的“危险物质”指定的担忧正在发展。这一指定将导致乏碳必须作为危险废物进行管理，并进一步实施报告、运输、储存和处置规定。此外，由于尚未建立安全的热焚烧方法，废活性炭的回收和处置选择可能受到限制。
一种新型PFAS地下水处理技术——胶体活性炭被动屏障
在过去的十年里，科学家们致力于研究pfas在地下水中的困境，研究、实验室测试和现场应用改性活性炭材料，以确保其有效原位(即就地)从地下水中去除PFAS。
修复方法基于将含水层材料转化为地下水净化过滤器的简单概念。这种转变是通过在含水层的垂直平面上注入一种改性形式的活性炭来实现的。这一过程形成了一个可渗透的反应性屏障(PRB)，它被动地处理自然通过屏障的地下水。当地下水在PRB中流动时，PFAS被吸收出来，导致下梯度屏障壁面排出干净的水。
图1: 描绘原位CAC PRB阻止PFAS迁移到敏感受体。图片来源:REGENESIS
虽然在概念上很简单，但要使这种方法切实可行，必须清除具体的技术障碍。第一个也是最简单的障碍是含水层材料的大小限制。典型的砂质含水层材料有开口，称为孔喉，在10微米范围内。相比之下，常见的GAC通常在300微米或更大的范围内。材料科学家首先必须减小活性炭的颗粒大小，将它们研磨到红细胞的大小(1到2微米)，以使它们能够通过孔喉。
然而，仅仅缩小它们的颗粒尺寸并不能让碳轻易地通过土壤的孔喉。这是由于粒子与含水层材料之间以及粒子本身之间的静电引力。为了消除静电吸引的障碍，需要将微米级的碳修饰成胶状悬浮液，使用专有的无毒聚合物和分子添加剂处理可以稳定颗粒并防止它们结块。由此，一种新型的胶体活性炭(CAC)材料诞生了。
当注入悬浮液从输送点(例如，注入井或井眼)传播时，CAC可以无阻力地穿过土壤孔隙。当CAC穿过含水层材料时，它还会在这些材料上涂上一层薄薄的碳涂料，这种碳涂料包裹着单个的土壤颗粒，并留下一个巨大的表面积，用于化学吸附。单微米的CAC粒径还导致PFAS吸附的快速动力学，基本上是在接触后立即将其从地下水中去除11．随着PFAS从地下水中去除原位，饮用水摄入暴露途径被消除，风险也随之消除。
图2: CAC处理前砂粒的扫描电镜图像。信贷:图片由REGENESIS提供。
图3: CAC处理后砂粒的扫描电镜图像。图片来源:REGENESIS
紧急的原位到目前为止，使用CAC技术的PFAS去除方法已经在该领域取得了近五年的成功。根据独立研究人员的验证，典型的CAC PRB应用程序的设计可以有效使用几十年12．然而，如果PFAS随着时间的推移超过了吸附能力并突破，则可以在第一个PRB的下游安装第二个PRB，继续从含水层中去除PFAS。
目前还没有已知的实用、安全的PFAS化学销毁方法。因此，对PFAS影响的液体或固体的全面处理目前仅限于分离或结合PFAS但不破坏它们的隔离技术13．然而，目前正在积极研究评估PFAS销毁的方法，包括由比尔·盖茨和其他投资者资助的一家新初创公司。随着这些治疗方法的发展原位CAC处理可以通过将污染物集中到更小体积的含水层中来提高其有效性，使PFAS更容易靶向和处理。CAC通常用于这种吸附增强破坏方法，以处理其他有机污染物，如氯化溶剂和石油碳氢化合物。
用这本小说来解决这个问题原位方法避免了P&T系统长期过高的维护成本。它还避免了很快就会被视为危险的废物流的产生，使其成为一种更环保、更可持续的方法。
随着全球范围内CAC技术的采用增加，目前有超过100个PFAS去除项目处于不同的规划和实施阶段。
参考文献
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