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全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）對(duì)水體的污染在全球范圍內(nèi)廣泛存在且呈上升趨勢(shì)，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(lái)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(lái)去除地下水、地表水和廢水中的 PFAS。特殊離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用，使得這種凈化過(guò)程能夠通過(guò)技術(shù)成熟的工藝實(shí)現(xiàn)，且可大規(guī)模推廣。PFAS 的去除率幾乎能達(dá)到 ppt 級(jí)別的檢測(cè)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(guò) 10,000 種物質(zhì)的群體，自 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)被大規(guī)模生產(chǎn)并應(yīng)用于多個(gè)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(rùn)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(huì)分解，因此會(huì)隨著時(shí)間在自然界和生物體中不斷累積。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，許多國(guó)家現(xiàn)已設(shè)定了極低的限值標(biāo)準(zhǔn)，尤其是針對(duì)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?；钚蕴浚℅AC）或離子交換（IEX）樹(shù)脂。一個(gè)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(zhǎng)或極性等。因此，在一個(gè)或幾個(gè)處理步驟中實(shí)現(xiàn) PFAS 的深度去除是一項(xiàng)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(guò)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(cè)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(jiǎn)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(shù)脂已證明，其可通過(guò)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(cè)限水平 —— 即便在存在其他離子的情況下，也能實(shí)現(xiàn)對(duì) 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(chǎng)，離子交換樹(shù)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(chǎng)地的消防演練，濃度高達(dá) 200ppb。該移動(dòng)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(shù)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(shù)脂 Lewatit® TP 108。第一個(gè)過(guò)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(guò)高選擇性樹(shù)脂被有效降至不可檢測(cè)水平（見(jiàn)圖 1）。由于該樹(shù)脂具有快速動(dòng)力學(xué)特性，即便在較短的停留時(shí)間（空床接觸時(shí)間，EBCT）下，也能實(shí)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(guò) 5400 萬(wàn)升。
此類樹(shù)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(guò)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(shù)脂的用量，相應(yīng)降低了處置成本。
在一項(xiàng)對(duì)比研究中，對(duì)顆?；钚蕴浚℅AC）和離子交換（IEX）樹(shù)脂在五年運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的成本進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示，即便樹(shù)脂僅一次性使用且不進(jìn)行再生，其成本仍比活性炭過(guò)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(shù)脂約五倍于前者的使用壽命，是此處成本優(yōu)勢(shì)的決定性因素。
若對(duì)離子交換（IEX）樹(shù)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(shì)可進(jìn)一步凸顯。此類再生工藝的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)樹(shù)脂的使用壽命，還能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用。
目前，Lewatit® TP 108 DW 樹(shù)脂不建議再生，原因在于其使用壽命長(zhǎng)、PFAS 負(fù)載量高且結(jié)合緊密。相比之下，單分散樹(shù)脂 Lewatit® MonoPlus TP 109 的 PFAS 選擇性雖略低，但可通過(guò) 70% 甲醇水溶液（添加 1% 氯化鈉）實(shí)現(xiàn)高效再生。
此外，弱堿性陰離子交換樹(shù)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(shù)脂具有較高的可用容量和總?cè)萘?，因此特別適用于高 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(shù)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(wú)需沖洗（通常需沖洗≥20 個(gè)床體積）。例如，在美國(guó)賓夕法尼亞州，該樹(shù)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(guò)小型快速柱試驗(yàn)（RSSCT）證明，使用這種選擇性樹(shù)脂，可在處理數(shù)萬(wàn)床體積的水后仍滿足上述限值要求。
在美國(guó)新澤西州的一家市政水處理廠中，這種選擇性樹(shù)脂也展現(xiàn)出極長(zhǎng)的使用壽命。
該廠設(shè)有兩條并行處理線，每條線包含兩個(gè)容器，每個(gè)容器裝有 5.7 立方米的樹(shù)脂。即使在高達(dá) 70 立方米 / 小時(shí)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(shù)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(guó)國(guó)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(guò)濾器主要用于分離懸浮物，否則這些懸浮物會(huì)污染樹(shù)脂。隨后去除水中的微量鐵和錳，接著對(duì)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(kāi)展的一項(xiàng)對(duì)比試驗(yàn)中，Lewatit® TP 108 DW 樹(shù)脂的優(yōu)異性能得到了驗(yàn)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(shù)脂處理后，這兩種物質(zhì)均被去除至檢測(cè)限水平（見(jiàn)圖 4）。即使處理量達(dá)到 60,000 床體積，其運(yùn)行依然穩(wěn)定；而使用顆粒活性炭（GAC）和另一種 PFAS 專用競(jìng)爭(zhēng)樹(shù)脂時(shí)，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(shí)穿透，后者在處理 45,000 床體積（競(jìng)爭(zhēng)樹(shù)脂處理 PFOA）時(shí)穿透。
針對(duì)不同鏈長(zhǎng) PFAS 的特異性結(jié)合方式
尤其在去除長(zhǎng)鏈 PFAS（含 8 個(gè)以上碳原子）時(shí)，離子交換樹(shù)脂的效率會(huì)更高。這是因?yàn)?，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(shù)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(guò)協(xié)同作用形成結(jié)合關(guān)系。
短鏈（含 4-7 個(gè)碳原子）和超短鏈（≤3 個(gè)碳原子）PFAS 近年來(lái)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(duì)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(zhǎng)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(shù)脂吸附在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多前景。就離子交換樹(shù)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(shù)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(shù)脂之一，其還具有高負(fù)載容量，例如對(duì)全氟丙酸（PFPrA）的負(fù)載容量為 10.3 克 / 升，對(duì)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(shí)間比吸附長(zhǎng)鏈 PFAS 更長(zhǎng)。因此，長(zhǎng)鏈 PFAS 應(yīng)在上游工藝步驟中分離，因?yàn)樗鼈兡芨臁⒏喂痰嘏c樹(shù)脂結(jié)合。若存在競(jìng)爭(zhēng)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(shù)脂，如 Lewatit® TP 108 DW。
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