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第一作者：Nanyang Yang ＆ Shasha Yang

通訊作者：Yang Yang

通訊單位：克拉克森大學土木與環境工程系

中文標題：壓電球磨對 PFAS 化學品和沉積物中的 PFAS 進行無溶劑非熱破壞。

英文標題：Solvent-Free Nonthermal Destruction of PFAS Chemicals and PFAS in Sediment by Piezoelectric Ball Milling.

對固體全氟和多氟烷基物質（PFAS）化學品和含有PFAS的固體廢物的銷毀研究嚴重滯后于迫切的社會需求。急需開發能夠在環境溫度和壓力下破壞非水 PFAS 的新型處理工藝。在這項研究中，我們開發了一種壓電材料輔助球磨（PZM-BM）工藝，其原理是研磨過程中的球碰撞可以激活 PZM，在沒有溶劑的情況下產生 kV 級的 PFAS 破壞電位。以典型的 PZM 氮化硼 (BN) 為例，我們成功地證明了固體 PFOS 和全氟辛酸 (PFOA) 在處理 2 小時后完全被破壞并近乎定量 (～100%) 脫氟。該工藝還用于處理受 PFAS 污染的沉積物。處理 6 h后，21 種目標 PFAS 中約 80% 被破壞。反應機理被確定為 PFAS 的壓電電化學氧化和 BN 的氟化的組合。PZMBM 工藝展示了許多潛在的優勢，因為多種 PFAS 的降解與官能團和鏈結構無關，并且不需要腐蝕性化學品、加熱或加壓。這項開創性的研究為優化 PZM-BM 處理各種富含 PFAS 的固體廢物奠定了基礎。

處理固態 PFAS 的非焚燒方法包括球磨 (BM)、水熱液化和堿輔助分解。在這些技術中，只有 BM 可以在常溫常壓下直接處理固體，無需溶劑。迄今為止，選定的純 PFAS 化合物（PFOS、PFOA、6:2FTS 等）已被證明可以使用不同的共研磨試劑（CaO、KOH、Al2O3、La2O3、高鐵酸鹽、過硫酸鹽和 SiO2）。KOH 是唯一實現氟轉化率約 90% 的共研磨試劑從 PFOS 到 F?。盡管這些開創性的工作奠定了技術基礎，但仍必須解決剩余的挑戰：(1) KOH 輔助球磨 (KOH?BM) 工藝需要過量的化學劑量，處理后的苛性固體需要修改排放/再利用前。(2) 環境濕度和濕氣導致 KOH 粉末結塊，從而延遲反應。(3) 大多數研究僅限于處理純 PFAS 化學品，盡管最近已實施用于處理 PFAS 尖沙和污染土壤。迫切需要替代的共研磨試劑，其在 PFAS 破壞和脫氟方面與 KOH 一樣有效，同時消除所有相關的限制。在這項研究中，我們報告了一種突破性的壓電材料輔助 BM (PZM-BM) 工藝，該工藝展示了克級固體 PFOS 和 PFOA 的有效破壞和近乎 100% 的脫氟。更重要的是，新工藝在處理 PFAS 污染的沉積物方面取得了良好的效果。

圖 1. (a) 壓電效應原理。PZM 晶體含有陽離子和陰離子。單元電池的整體電荷是中性的。在機械應變引起的變形時，陽離子向下移動，而陰離子向上移動。正負電荷中心的錯位導致晶體晶胞的頂部和底部分別產生負凈電荷和正凈電荷。(b) BN 在法向力沖擊下的壓電響應的 PFM 分析。

圖 2. (a) PFOA 和 (c) PFOS 的破壞以及短鏈中間體的形成。球磨處理后 (b) PFOA 和 (d) PFOS 的近定量脫氟。

圖 3. 使用 BN 作為共研磨試劑時沉積物中 (a) PFCA 和 (b) PFSA/FTS 的破壞曲線。

需要強調的是，BN 與許多 PZM 一樣，是一種半導體。此前，據報道，BN 在水性光催化反應中對 PFOA 降解具有反應性。然而，沒有證據表明 BN 作為光催化劑可以破壞 PFSA（例如 PFOS）。我們在此成功證明了 BM 激活的 BN 可以破壞 PFSA。結果表明，機械化學活化可以賦予 BN 和可能的其他 PZM 比光催化途徑更強的氧化還原能力。這項開創性研究的更廣泛影響是驗證壓電 BM 工藝在處理沉積物中的 PFAS 方面的優越性能。該概念驗證為后續對其他壓電材料的基礎研究和處理含 PFAS 的固體廢物（土壤、商業產品、吸附劑等）的新應用開辟了各種新途徑。