朗盛定制化离子交换树脂： 应对水中全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染的系统方案

慧正资讯，全氟和多氟烷基物质（PFAS）对水体的污染在全球范围内广泛存在且呈上升趋势，这给此类物质的生产商、使用者，以及废物处理公司、修复工程企业和立法机构带来了日益严峻的挑战。这导致该类物质的生产和使用受到限制。此外，还需要高效且经济的工艺来去除地下水、地表水和废水中的 PFAS。特殊离子交换树脂的应用，使得这种净化过程能够通过技术成熟的工艺实现，且可大规模推广。PFAS 的去除率几乎能达到 ppt 级别的检测限（即接近完全去除）。

面临的挑战

全氟和多氟烷基物质（PFAS）：这是一类包含超过 10,000 种物质的群体，自 20 世纪 50 年代以来被大规模生产并应用于多个领域 —— 仅举几例，如灭火泡沫、纺织品和纸张的浸渍剂，以及润滑剂等。这类物质均含有碳 - 氟原子键，而碳 - 氟键是有机化学中最稳定的化学键之一。这意味着 PFAS 属于 “持久性化学物质”，在环境中几乎不会分解，因此会随着时间在自然界和生物体中不断累积。为应对这一问题，许多国家现已设定了极低的限值标准，尤其是针对地下水和饮用水。要达到这些标准，就需要高效的净化技术，其中主要包括吸附工艺，例如使用颗粒活性炭（GAC）或离子交换（IEX）树脂。一个复杂因素是，不同的 PFAS 在性质上存在显著差异 —— 例如分子量、链长或极性等。因此，在一个或几个处理步骤中实现 PFAS 的深度去除是一项极具挑战性的任务，需要专门定制的吸附材料。此外，吸附工艺与膜工艺（如反渗透）相结合，是另一种高效的 PFAS 去除方案。

最终，全氟和多氟烷基物质（PFAS）可在高能条件下被销毁 —— 例如，通过等离子体放电或化学及电化学氧化等方式。这些工艺中，有许多仍处于研发或测试阶段。在高压和高温环境下，氢氧化钠等物质也能销毁多种 PFAS（即水热碱处理，简称 HALT）。纯粹的热分解是目前最常用的销毁工艺，但需要 1000°C 以上的高温。

离子交换：一种高度可配置的解决方案

在全球范围内，离子交换（IEX）树脂已证明，其可通过经济高效的大规模应用达到所需限值，并且能将各类 PFAS 吸附至检测限水平 —— 即便在存在其他离子的情况下，也能实现对 PFAS 的结合与去除。

例如，在澳大利亚维多利亚州的一座机场，离子交换树脂已成功用于处理地下水中的高浓度 PFAS。这些 PFAS 源自此前消防训练场地的消防演练，浓度高达 200ppb。该移动处理装置的离子交换配置包括：可再生弱碱性阴离子交换树脂 Lewatit® MP 62 WS，其后是采用主 - 副（lead/lag）配置的高选择性一次性阴离子交换树脂 Lewatit® TP 108。第一个过滤器吸附了大部分 PFAS，剩余的微量 PFAS（主要为全氟丁酸，PFBA）则通过高选择性树脂被有效降至不可检测水平（见图 1）。由于该树脂具有快速动力学特性，即便在较短的停留时间（空床接触时间，EBCT）下，也能实现高水平的 PFAS 截留。因此，该装置每日可净化多达 500 立方米的水，总净化量超过 5400 万升。

此类树脂的有效吸附容量高达 100 克 / 升（即便在存在氯化物和硫酸盐的情况下亦是如此），远优于传统的活性炭过滤法。值得注意的是，在这一终端处理阶段，其达到了 10,000 床体积（BV）的高处理量，从而减少了负载树脂的用量，相应降低了处置成本。

图 1 澳大利亚维多利亚州地下水处理中 PFAS 的整体去除效率：灰色 —— 预处理进水；黑色 —— 预处理出水；红色 —— 最终处理出水

在一项对比研究中，对颗粒活性炭（GAC）和离子交换（IEX）树脂在五年运营期内的成本进行了评估。结果显示，即便树脂仅一次性使用且不进行再生，其成本仍比活性炭过滤法低近 60%（见图 2）。尽管颗粒活性炭的初始材料成本较低，但离子交换树脂约五倍于前者的使用寿命，是此处成本优势的决定性因素。

图 2 采用活性炭与离子交换树脂（Lewatit® TP 108 DW）去除灭火介质中全氟庚酸（PFHpA）的总成本对比（橙色 —— 设备投资；黑色 —— 五年内的过滤材料；红色 —— 处置成本）：移动处理装置日处理量约 275 立方米

若对离子交换（IEX）树脂进行再生，且能高效销毁再生液中的 PFAS，其经济性优势可进一步凸显。此类再生工艺的优势尤为明显 —— 尤其是在水中 PFAS 浓度较高的情况下 —— 这不仅能延长树脂的使用寿命，还能实现可持续利用。

目前，Lewatit® TP 108 DW 树脂不建议再生，原因在于其使用寿命长、PFAS 负载量高且结合紧密。相比之下，单分散树脂 Lewatit® MonoPlus TP 109 的 PFAS 选择性虽略低，但可通过 70% 甲醇水溶液（添加 1% 氯化钠）实现高效再生。

此外，弱碱性阴离子交换树脂 Lewatit® MP 62 WS 在吸附 PFAS 后，可采用氢氧化钠进行再生。由于该树脂具有较高的可用容量和总容量，因此特别适用于高 PFAS 含量水体的预处理。

从受污染原水中获取洁净饮用水

Lewatit® TP 108 DW 树脂拥有 ANSI/NSF 61 认证，这意味着它也可用于饮用水处理。使用前无需冲洗（通常需冲洗≥20 个床体积）。例如，在美国宾夕法尼亚州，该树脂被用于处理地下水以生产饮用水。由于该地区邻近一处旧军事基地，地下水中多种 PFAS 含量极高（如：全氟辛烷磺酸 [PFOS] 达 429 ppt、全氟辛酸 [PFOA] 达 174 ppt、全氟己烷磺酸 [PFHxS] 达 210 ppt），而其中前两种物质的最大污染物限值（MCL）仅为 4 ppt。通过小型快速柱试验（RSSCT）证明，使用这种选择性树脂，可在处理数万床体积的水后仍满足上述限值要求。

在美国新泽西州的一家市政水处理厂中，这种选择性树脂也展现出极长的使用寿命。

该厂设有两条并行处理线，每条线包含两个容器，每个容器装有 5.7 立方米的树脂。即使在高达 70 立方米 / 小时的高流速下，水中的 PFAS 混合物（主要为全氟壬酸 [PFNA]）浓度也被降至远低于当地严格限值的水平。在主 - 副（lead/lag）配置中，主容器内的树脂在处理近 200,000 床体积的水、使用三年后（图 3），仍能满足新泽西州饮用水管理部门的严格要求，甚至符合美国国家环境保护局（EPA）的标准（其中 PFOA 和 PFOS 的 MCL 为 4 ppt，PFNA 的 MCL 为 10 ppt）。

图 3 美国新泽西州井水处理的主 - 副配置

上游的 5 微米过滤器主要用于分离悬浮物，否则这些悬浮物会污染树脂。随后去除水中的微量铁和锰，接着对水进行氯消毒。

高效的废水处理

在意大利北部威尼托大区阿尔齐尼亚诺开展的一项对比试验中，Lewatit® TP 108 DW 树脂的优异性能得到了验证。当地一家制革厂的废水中含有 61 ppt 的全氟辛烷磺酸（PFOS）和 44 ppt 的全氟辛酸（PFOA），经该树脂处理后，这两种物质均被去除至检测限水平（见图 4）。即使处理量达到 60,000 床体积，其运行依然稳定；而使用颗粒活性炭（GAC）和另一种 PFAS 专用竞争树脂时，则出现了穿透现象 —— 前者在处理 23,000 床体积（GAC 处理 PFOA）和 45,000 床体积（GAC 处理 PFOS）时穿透，后者在处理 45,000 床体积（竞争树脂处理 PFOA）时穿透。

图 4 意大利中试装置中全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）去除效果对比试验的操作条件与结果：红色 ——Lewatit® TP 108 DW 树脂；黑色 —— 竞争树脂；灰色 —— 颗粒活性炭（GAC）

针对不同链长 PFAS 的特异性结合方式

尤其在去除长链 PFAS（含 8 个以上碳原子）时，离子交换树脂的效率会更高。这是因为，除了与 PFAS 分子亲水性的羧酸或磺酸 “头部” 发生离子相互作用外，树脂的芳香族聚合物骨架还能与氟化物PFAS非极性的“尾部” 产生微弱的疏水相互作用 —— 即通过协同作用形成结合关系（见图 5）。

图 5 长链全氟和多氟烷基物质（PFAS）分子（全氟壬酸，PFNA）在聚苯乙烯基强碱性离子交换剂上的协同结合

短链（含 4-7 个碳原子）和超短链（≤3 个碳原子）PFAS 近年来愈发受到关注。 超短链 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。尽管这些物质污染对环境和健康的影响尚未得到广泛研究，但由于其持久性强，仍需从饮用水、地表水和地下水中去除。此外，它们作为长链 PFAS 的工业替代品使用量日益增加，这使得去除这类物质变得更为重要。

尤其是短链 PFAS，其在颗粒活性炭（GAC）上的吸附效果不佳，且容易再次脱附。目前，膜工艺（如反渗透和纳滤）以及离子交换树脂吸附在这一领域展现出诸多前景。就离子交换树脂而言，若能高效销毁再生液中浓缩的 PFAS，那么强碱性和弱碱性阴离子交换树脂均可使用，且部分可再生。Lewatit® MP 62 WS 便是这类可再生弱碱性阴离子交换树脂之一，其还具有高负载容量，例如对全氟丙酸（PFPrA）的负载容量为 10.3 克 / 升，对全氟丁酸（PFBA）的负载容量高达 145 克 / 升。

通常而言，吸附短链 PFAS 所需的停留时间比吸附长链 PFAS 更长。因此，长链 PFAS 应在上游工艺步骤中分离，因为它们能更快、更牢固地与树脂结合。若存在竞争性离子（如氯离子或硫酸根离子），或希望将 PFAS 残留浓度降至极低水平，建议使用强碱性离子交换树脂，如 Lewatit® TP 108 DW。

作者：

Dirk Steinhilber博士

朗盛德国有限公司

业务发展、应用与创新部门 应用技术经理

德国科隆 50569