飲用水中全氟化合物的去除工藝綜述

摘要：全氟化合物（Perfluorinated Compounds，PFCs）是一類廣泛應用的有機化合物，由于特殊的分子結構，其具有極高的環境持久性，已成為全球范圍內飲用水污染的重要物質。綜合梳理PFCs在飲用水中的污染現狀，重點探討其濃度分布及地域差異，分析其環境持久性、降解難題與處理技術的局限性，并展望未來研究方向，旨在為PFCs的污染防治與處理技術優化提供理論依據。

關鍵詞：飲用水；全氟化合物；去除工藝；污染防治

中圖分類號：R123.1 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）03-0-03

Overview of removal processes for perfluorinated compounds in drinking water

XIAO Ning

（Shanghai Fudan Water Engineering and Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200433， China）

Abstract： Perfluorinated Compounds （PFCs） are a widely used class of organic compounds， due to their unique molecular structure， they have extremely high environmental persistence and have become an important substance for drinking water pollution worldwide. This paper comprehensively reviews the pollution status of PFCs in drinking water， focuses on exploring their concentration distribution and regional differences， analyzes their environmental persistence， degradation difficulties， and limitations of treatment technologies， and looks forward to future research directions， aiming to provide theoretical basis for the pollution prevention and treatment technology optimization of PFCs.

Keywords： drinking water; perfluorinated compounds; removal process; pollution prevention

全氟化合物（Perfluorinated Compounds，PFCs）

是自20世紀40年代起廣泛應用的人工合成物質。分子結構中，碳鏈上的氫原子被氟原子完全取代，賦予PFCs優異的疏水、疏油性以及極高的化學與熱穩定性，其被廣泛應用于多個領域[1]。然而，PFCs的廣泛應用使其在環境中普遍存在，并對生態系統及人體健康構成潛在威脅。研究表明，PFCs不僅具有強烈的持久性與生物累積性，還具備遠距離遷移能力。PFCs可通過食物鏈逐級傳遞，在生物體內逐漸積累，最終可能對人體健康產生負面影響。例如，全氟辛酸（Perfluorooctanoic Acid，PFOA）和全氟辛烷磺酸（Perfluoro Octane Sulfonate，PFOS）與多種健康問題密切相關，包括高膽固醇、甲狀腺疾病、免疫抑制、繁殖發育障礙及癌癥等。隨著飲用水安全對公共健康的日益重要，PFCs在水中的污染問題日益受到關注。系統綜述PFCs在飲用水中的污染現狀及相關處理技術，旨在為制定合理的飲用水污染控制標準與處理策略提供科學依據。

1 PFCs在飲用水中的污染現狀

1.1 全球范圍飲用水中PFCs的濃度水平

多項研究對全球不同地區飲用水中PFCs的濃度進行監測與分析。KABORE等[2]對多個國家的97個飲用水樣本（包括瓶裝水和自來水）進行檢測，發現不同地區飲用水中PFCs濃度差異顯著。在加拿大，源自五大湖和圣勞倫斯河的自來水樣本中，29種全氟和多氟烷基物質（per- and polyfluoroalkyl substance，PFAs）的濃度均值為14 ng/L，而其他來源自來水的均值僅為5.4 ng/L。瓶裝水的PFCs濃度普遍較低，天然礦泉水和處理水的29種PFAS濃度均值保持在0.72～1.50 ng/L。

MAK等[3]的研究顯示，中國上海市自來水PFCs濃度最高，總PFCs的算術平均值為0.13 μg/L，PFOA為0.078 μg/L；日本富山市的濃度最低，僅為0.000 62 μg/L。

Crone等[1]對2013—2015年美國環境保護署開展的第三階段非管制污染物監測規則下所收集的數據的分析表明，PFOA和PFOS的檢測頻率較高，占比分別為1.03%和0.79%，PFOS的最高濃度可達7 000 ng/L。研究發現，不同規模的飲用水系統中，PFCs濃度差異顯著，全氟丁磺酸僅在大型系統中被檢測到，其在地表水和地下水中的平均濃度分別為212 ng/L和136 ng/L。

1.2 不同水源類型中PFCs的分布差異

地下水和地表水作為主要的飲用水水源，其PFCs污染狀況存在顯著差異。數據顯示，72%的PFCs檢出發生在地下水中，其PFCs濃度（210 ng/L）明顯高于地表水（90 ng/L）[1]。主要原因是地表水具有較強的稀釋作用，PFCs易與沉積物和天然有機物形成絡合物，從而降低其在地表水中的濃度，而地下水流動性較差，污染物難以擴散與降解，PFCs易在地下水中積累。

研究表明，不同水源中PFCs的組成存在差異。GUELFO等[4]指出，地下水中的PFCs混合物以全氟烷基磺酸為主，而地表水的則以全氟烷基羧酸為主。全氟烷基磺酸主要通過水成膜泡沫遷移至地下水，而全氟烷基羧酸則主要通過制造業排放、大氣沉降及垃圾填埋場滲濾液等途徑進入地表水。

2 PFCs的處理技術

PFCs的環境持久性主要源于其碳-氟鍵的高鍵能，這使其在自然環境中難以實現常規生物和化學降解。作為典型的持久性有機污染物，PFCs在環境中的半衰期漫長。PFCs的降解途徑包括光降解與微生物降解，但這些過程非常緩慢。光降解受限于特定波長的光照和水體溶解物質的影響。微生物降解方面，大多數微生物無法有效利用PFCs作為碳源，導致其降解效率極低。因此，PFCs在環境中的長期積累對生態系統構成持續威脅。

2.1 活性炭吸附

活性炭吸附是目前研究較為廣泛的PFCs去除技術之一，包括顆粒活性炭和粉末活性炭[1]。活性炭的比表面積大，孔隙結構豐富，能夠通過物理和化學吸附去除水中的PFCs。其吸附機制涉及多層吸附、膠束形成、酸堿相互作用以及靜電和疏水效應等。不同類型活性炭對PFCs的吸附能力不同。以竹炭為原料制備的顆粒活性炭對PFOS和PFOA的吸附效果優于其他活性炭材料。但在實際應用中，活性炭對長鏈PFCs的去除效果較好，而對短鏈PFCs的去除率較低。

2.2 反滲透

反滲透工藝利用半透膜原理去除水中的溶解性物質，包括PFCs，通過尺寸排阻與電荷排斥作用，高效去除PFCs，去除率通常能夠超過99%，其對PFCs鏈長不敏感[1]。雖然反滲透能夠有效去除PCFs，然而反滲透系統的能耗數倍于常規工藝，運行成本高。另外，反滲透產生的濃縮液中PFCs濃度顯著提高，未經適當處理則可能對環境造成二次污染。為了解決問題，當前研究集中于優化膜材料與操作條件，開發濃縮液處理技術。

2.3 紫外光降解

紫外光降解利用紫外能量破壞PFCs化學鍵，實現對其的降解作用。然而，PFCs對紫外線的吸收能力較弱，降解效果常常不盡如人意，因此它需要與其他氧化劑聯合使用，以提高降解效率。研究表明，單獨的紫外光照射對PFCs的去除效果較差，但添加過氧化氫能顯著提升PFCs的降解效率。在一定條件下，聯合體系對部分PFCs的降解率可超過50%，但仍難以實現完全降解。雖然紫外光降解的反應條件較為溫和，不會產生二次污染，但是該技術設備成本較高。受穿透能力的限制，當水中懸浮物和溶解性有機物等的濃度升高時，PFCs的降解效率會受到影響，在大水量的工況下，負面作用更為明顯。

2.4 新興技術與組合工藝

生物降解一直是PFCs去除的潛在研究方向，可篩選出以PFCs為碳源或能源進行代謝的微生物，實現對PFCs的有效降解。部分微生物能夠利用PFCs進行生長代謝，進而將其轉化為無害物質。然而，生物降解技術面臨微生物生長速度慢、降解效率低和環境條件難滿足等問題，因此其目前仍處于實驗室研究階段，尚未大規模應用。基因工程可以優化微生物菌株，提高其降解效率和特異性，生物降解技術有望突破應用限制。

近年來，多技術協同處理體系研究逐步受到關注。該體系通過整合多種處理技術的協同作用，有效提升PFCs的去除效能。活性炭吸附與反滲透技術的聯合應用可形成優勢互補，活性炭預處理可截留60%～70%的PFCs及有機污染物，顯著緩解反滲透膜的污堵現象，后續反滲透單元對剩余污染物的截留率可超過98%，最終系統整體去除率超過95%。在膜處理領域，超濾-納濾雙膜系統的構建展現出技術經濟性優勢，超濾單元對粒徑大于20 nm的膠體和大分子有機物具有選擇性截留作用，而納濾膜通過孔徑篩分和電荷排斥機制對分子量在200～1 000 Da的PFCs實現高效去除。不過，這類復合系統仍存在技術耦合度不足的問題，單元工藝參數匹配度、能量利用效率優化等方面仍需要深入研究，同時工藝流程的復雜性對自動化控制水平提出更高要求。

3 未來研究方向與挑戰

3.1 研究空白

現有研究在PFCs去除方面取得顯著進展，但仍存在多個研究空白。不同PFCs去除方法的適用性受到水質特性、PFCs種類與濃度等因素的影響。目前，如何根據實際水質情況選擇最適合的處理方法仍缺乏系統的研究與指導。現有研究大多關注PFCs去除技術的短期效果，其長期運行穩定性與長期效應的研究較為匱乏。在長期運行過程中，處理設備可能會發生性能衰退、膜污染等問題，影響PFCs去除效果及處理系統的穩定性[1]。此外，一些處理技術在去除PFCs的過程中可能會生成未知的副產物，這些副產物對環境和人體健康的長期影響尚未明確。目前，PFCs在環境中的歸趨與生態風險評估研究仍不夠全面，盡管其持久性與生物累積性已為人所知，但其在復雜環境介質中的遷移轉化規律及生態系統的長期影響尚不清楚。因此，在制定相關環境政策與標準時，缺乏充分的科學依據。

3.2 未來研究方向

未來研究應著重構建基于水質特征的PFCs處理技術優選體系。通過建立多因素耦合試驗平臺，系統考察pH值、溶解性有機質及離子強度等關鍵水質參數對處理效能的影響機制，并運用多元回歸分析和機器學習算法構建處理效果預測模型，為工程應用提供量化決策依據。在技術長效性研究方面，重點關注膜處理系統的運行穩定性優化。通過表面Zeta電位分析、原子力顯微鏡表征等技術手段，深入解析膜污染形成機制；開發具有抗污染特性的新型膜材料，如兩性離子改性膜、石墨烯基復合膜；優化跨膜壓差、錯流速度等關鍵操作參數，將膜污染速率控制在15%以下，實現膜壽命延長30%以上。在PFCs的環境行為研究領域，建議構建多介質遷移轉化研究平臺。可運用同位素示蹤技術，定量解析PFCs在水-土-氣界面的遷移通量；結合逸度模型，預測PFCs在不同環境相（水相、顆粒相、氣相）中的分配系數；通過室內模擬試驗，研究PFCs在好氧與厭氧條件下的降解動力學。

4 結論

全球范圍內，不同地區飲用水中PFCs濃度差異顯著。地下水和地表水作為主要的飲用水水源，其PFCs污染狀況存在顯著差異。作為典型的持久性有機污染物，PFCs在環境中的長期積累對生態系統構成持續威脅。目前，PFCs的處理技術主要有活性炭吸附、反滲透和紫外光降解。近年來，新興技術與組合工藝研究逐步受到關注。現有研究在PFCs去除方面取得顯著進展，但仍存在多個研究空白。未來，應著重構建基于水質特征的PFCs處理技術優選體系，重點關注膜處理系統的運行穩定性優化，構建多介質遷移轉化研究平臺，從而更好地去除飲用水中全氟化合物，保障水生態安全。

參考文獻

1 CRONE B C，SPETH T F，WAHMAN D G，et al.Occurrence of per- and polyfluoroalkyl substances （PFAS） in source water and their treatment in drinking water[J].Critical reviews in environmental science and technology，2019（24）：2359-2396.

2 KABORE H A，DUY S V，MUNOZ G，et al.Worldwide drinking water occurrence and levels of newly-identified perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances[J].Science of the Total Environment，2018（3）：1089-1100.

3 MAK Y L，TANIYASU S，YEUNG L W Y，et al.Perfluorinated compounds in tap water from China and several other countries[J].Environmental Science amp; Technology，2009（13）：4824-4829.

4 GUELFO J L，ADAMSON D T.Evaluation of a national data set for insights into sources，composition，and concentrations of per- and polyfluoroalkyl substances （PFASs） in US drinking water[J].Environmental Pollution，2018（5）：505-513.