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Self portrait, Image credit: Dr. Iakovos Tzanakis Self portriat, Image credit: Dr. Morteza Ghorbani 破解永久污染：无PFAS（PFAS-Free）净水的曙光 英国牛津布鲁克斯大学的Iakovos Tzanakis教授和Morteza Ghorbani博士在环保领域取得重大突破：开发出能清除水中”永久化学物质”的创新技术。他们利用先进气泡空化技术研发的流体动力反应器，为处理有毒全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染开辟了新途径。这项于2024年6月发表在《化学工程期刊》的研究，为解决全球PFAS水污染危机提供了新方案。 自1930年代起，PFAS就广泛存在于防水服装和不粘锅具等日常用品中，对环境和健康造成持久影响。这类物质不仅与癌症等严重疾病相关，还对传统处理方法具有极强抵抗性。在瑞典哈马比绍斯塔德污水处理厂的初步测试中，该反应器在30分钟内就达到了11种常见PFAS的36%降解率，且无需添加化学物质。 近期，我们采访了这两位科学家：工程材料与空化气泡动力学专家Tzanakis教授和微流体装置专家Ghorbani博士，了解他们如何开发这一创新技术，以及未来推广应用的愿景。 https://www.youtube.com/watch?v=FcZDyGcUg7U&t=1s 问：可以介绍一下您们的背景和目前的研究重点吗？Tzanakis教授：我是牛津布鲁克斯大学的工程材料教授，专门研究空化气泡动力学。我最初的研究集中在改进铝合金结构和开发纳米材料。不过，我现在已经将这些专业知识应用到废水处理领域。我目前的工作重点是利用空化过程去除水中的PFAS化学物质，这代表着我的研究从最初的材料工程转向了环境应用的重要转变。 Ghorbani博士：作为萨班哲大学的副教授和牛津布鲁克斯大学的皇家学会-牛顿学者，我专注于研究微观尺度下的流体动力空化物理现象。我的研究涉及在微流体装置中研究这些过程，并将这些知识应用于各种环境挑战。这不仅包括PFAS降解，还包括处理细菌、药物、微藻和微塑料等其他水污染物。我的目标是将基础物理学与实用的环境解决方案结合起来。 问：什么是PFAS？为什么它会引起重大环境担忧？Tzanakis教授：PFAS，即全氟和多氟烷基物质，是高度氟化的化合物，已成为一个重大的环境挑战。自20世纪50、60年代以来，人类一直在为各种产品制造这些化学物质。然而，科学家后来发现了一个严重的问题：我们能制造它们，却无法分解它们。这种持久性源于其结构中碳和氟原子之间极其牢固的键合。它们被称为”永久化学物质”，因为它们可以在环境中持续存在数百年，而自然界缺乏分解它们的机制。 Ghorbani博士：目前存在超过10,000种不同的PFAS化合物，常见于氟化工业和消防设备中。这些化学物质特别令人担忧，因为它们无处不在于日常用品中——从披萨盒和三明治袋等食品包装到不粘锅具。真正的环境挑战出现在这些产品的生命周期末端。当它们被弃置在垃圾填埋场时，这些化学物质会渗入地下水系统，最终污染我们的饮用水源。这形成了一个亟需打破的恶性污染循环。 Tzanakis教授：令人警惕的是这种污染循环如何自我延续。PFAS通过工业排放、垃圾填埋场渗滤液和日常产品处置等多种途径进入我们的水系统。这就是为什么我们的研究聚焦于通过新的气泡技术开发根本性的解决方案来打破这个循环。 问：您能解释一下气泡空化是如何分解PFAS化合物？Ghorbani博士：空化气泡与我们在沸水中看到的气泡有根本的不同。当空化气泡形成并随后崩溃时，会释放出巨大的能量。这种能量与我们反应器中的各种流动动力学相结合，似乎是瞄准和降解PFAS化合物的关键。 这个过程相当复杂，我们仍在研究其中的具体机制。这些崩溃的气泡会释放不同类型的能量——包括机械和化学效应——我们正在研究哪些具体效应对PFAS降解最为重要。虽然我们继续研究确切的机制，但我们知道气泡能量、流动动力学和工作流体中的其他参数的组合创造了能够分解这些传统上持久性化学物质的条件。 Tzanakis教授：令人兴奋的是，我们的方法利用自然物理过程，而不需要额外的化学处理。然而，理解确切的机制对于优化技术效果和扩大应用范围将至关重要。 问：您能解释一下流体动力反应器的设计因素和技术规格吗？Tzanakis教授：我们的反应器采用可调节的工作原理设计，具有显著的灵活性和优化空间。虽然核心概念保持不变，但我们可以调整各种参数，如材料表面特性、液体动力学和管道网络中的压力变化，以精确控制空化气泡的产生和行为。具体来说，我们的系统运行速度可达到每秒40-50米——约每小时150公里。设想气球（代表气泡）在急速流动的空气（代表废水）中形成：废水高速运动，由于压力差产生气泡。当这些气泡崩溃时，会释放出强烈的效应，促进PFAS的降解。 Ghorbani博士：气泡崩溃产生的巨大能量以各种方式表现——机械效应、化学效应、流动模式、冲击波和自由基。我们特别关注流动模式，因为这些为设计和配置我们的微流体装置提供了关键见解。通过理解和控制这些流动模式，我们可以更好地调节过程中的冲击波和化学方面。这种理解使我们能够优化表面改性和PFAS去除的整体性能，提供一个强大而高效的解决方案。 问：您的反应器与传统的PFAS处理方法相比如何？Ghorbani博士：目前，在处理厂中尚无标准化的工业规模去除PFAS技术。虽然存在一些试点装置，但我们的技术因两个关键原因而脱颖而出。首先，我们不使用任何化学品——仅依靠释放的气泡能量。其次，我们不需要电力等外部能源，因为我们利用污水处理厂管道系统中已有的能量。这些特点使我们的技术特别新颖，优于现有方法。重要的是，这是少数几个可以实际扩大规模的技术之一，因为其他方法在尝试扩大规模时往往面临高昂的成本和能源需求。 Tzanakis教授：这项技术的多功能性特别令人兴奋——它既可以扩大规模，也可以有效地缩小规模。该系统基于经过一些改良的管道网络，结构简单，适应性强。由于它不需要电力，只需要压缩气体来产生压力差，因此在农村地区或无法可靠供电的发展中国家都有潜在的应用。人们可能在家中就地净化井水，使其成为一个真正多功能的解决方案。 问：您在哈马比绍斯塔德工厂的测试中有什么发现？Tzanakis教授：我们针对11种最常见的PFAS类型进行了反应器测试，能够将PFAS浓度降到非常低，在每升5到10纳克之间。作为参考，美国环境保护署将饮用水限值设定为每升4纳克。在仅30分钟的处理后，在所有情况下，我们都将PFAS水平降至这个阈值以下，某些情况甚至降到更低（低于每升1纳克）。总体而言，我们实现了36%的平均降解率，这对该技术来说是非常有希望的结果。 Ghorbani博士：这些测试中有两个重要发现值得注意。首先，我们的技术成功去除了所有类型的PFAS成分——包括长链和短链变体。这很重要，因为大多数现有技术只能有效处理某些特定类型。其次，我们在极低浓度下——约每升1至2纳克——也取得了成功，在某些情况下实现了40-50%的降解率。在如此低的浓度下能达到这样的效果，对实际应用来说特别具有意义。 问：扩大这项技术规模的主要挑战是什么？Tzanakis教授：挑战因规模扩大或缩小而异。在缩小规模时，堵塞成为主要问题，因为较小的通道更容易被阻塞。在扩大规模时，侵蚀是主要挑战——气泡持续崩溃产生的冲击波会随时间逐渐损坏反应器表面。这意味着我们需要专注于材料技术，以确定最耐用和最适合长期运行的材料。 Ghorbani博士：除了技术挑战外，我们最大的障碍之一是获得行业认可。尽管臭氧化或其他高级氧化技术能耗高且成本效率低，但污水处理厂通常更倾向于使用这些传统技术。说服他们采用我们的新方法需要确凿地证明其价值。不过，我们的反应器已证明具有高度适应性——它可以处理从很小到20升的水量，下一步目标是200升，这使得技术扩展相对直接。 Tzanakis教授：还需要考虑经济因素。在最近与英国水务公司的讨论中，我了解到许多公司都在为目前紫外线水处理方法的高能耗而苦恼。他们正在积极寻求新的、更节能的技术。这为我们的系统提供了机会，因为它运行时能耗显著降低，有可能取代这些成本高、耗能大的技术。 问：国际合作在这项技术的开发中发挥了什么作用？Tzanakis教授：国际合作对我们的成功至关重要，为共同的挑战带来了不同的视角。每个合作伙伴都贡献了独特的优势和资源，创造出单独工作无法实现的协同效应。例如，不同国家为项目带来了不同的专业知识和能力，这种组合对实现我们的成果起到了关键作用。 我们的工作合作性质展示了复杂的环境挑战需要全球性的解决方案。我们跨多个国家和机构的合作使我们能够汇集资源、分享知识，并以任何单独团队都无法实现的方式加速发展。我们反应器的成功证明了国际科学合作的力量。 问：您的技术如何与全球减少PFAS污染的倡议保持一致？Ghorbani博士：我们的方法与欧盟委员会的指导方针和指令高度一致。目前，各方正在推动污水处理厂升级其PFAS去除设施。我们预计这些建议很快将成为强制性要求。现在就开始实施和测试新技术至关重要，因为评估和整合过程可能需要几年时间。我们不能等到法规变得更严格才开始测试解决方案——现在就是行动的时候。 Tzanakis教授：我们正面临一个持续70多年的遗留问题。虽然当前的倡议正在正确地关注减少新的PFAS生产，但我们仍需要处理数十亿现有的含PFAS产品和环境中已存在的数万亿PFAS分子。即使有即时的解决方案，清除我们世界中的这些”永久化学物质”也需要多年时间。这使得我们的技术特别具有相关性，因为它为应对这一巨大的环境挑战提供了一种实用的方法。 问：您实现全面应用的时间表是什么？最近的认可如何影响了您的工作？Tzanakis教授：我们对在未来几年内展示我们技术处理大量水体——高达200升——的效果持乐观态度。一旦我们实现这个里程碑，扩展到工业规模应该是可行。我们的研究最近受到全球媒体的关注非常重要，因为这种认可可能有助于获得额外资金来推进我们的工作，实现全面应用。 Ghorbani博士：实施需要全面的方法。虽然有适当的资金和国际联盟支持可以快速推进，但必须同步开发适当的监测系统。我们已经在土耳其、瑞典和英国建立了实施联系，但我们渴望在全球范围内扩展。重要的是，我们的技术不仅在PFAS去除方面显示出前景——在处理其他微污染物、细菌和活性药物成分方面也取得了成功。我们甚至在探索在家用电器中的应用，比如洗衣机，这项技术可以实现水的重复使用。 展望未来，我们设想为不同污染物开发标准化处理方案，尽管每个目标可能需要具体调整。虽然将来可能出现通用的”单一配方”解决方案，但令人鼓舞的是，我们的技术已经证明能同时有效处理PFAS和广泛的其他污染物。这种多功能性，加上不断增长的认可和支持，使我们在更广泛的应用方面处于有利位置。 结论随着全球对PFAS污染的认识不断提高和法规日益严格，牛津布鲁克斯团队的创新为一个持续数十年的环境挑战提供了充满希望的解决方案。他们无化学品、节能的方法有望彻底改变全球水处理方式，为跨世代的环境清理工作提供实用工具。随着技术的持续发展和实施，这项技术可能最终为打破PFAS污染的无尽循环提供途径，让我们离人人享有更清洁、更安全的水源的未来更近一步。 网站：https://cav-it.co.uk/https://www.brookes.ac.uk/profiles/staff/iakovos-tzanakis