科学网—等离子体纳米气泡降解“永久化学品”
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2026-8-11 15:10
| 系统分类: 海外观察
等离子体 纳米气泡 降解 “永久化学品”
等离子体 +空化效应：常压冷等离子体可在气泡与水的界面降解有毒污染物
德国德累斯顿 -罗森多夫亥姆霍兹研究中心（HZDR）科研团队研发出了可降解“永久化学品”的处理技术。
全氟和多氟烷基物质（ PFAS）内部的碳氟键是化学领域键能最强的化学键之一，这也导致这类工业污染物能在水体中存留数年之久。HZDR研究人员正在测试两种裂解碳氟键的技术方案：流体动力空化，以及常压冷等离子体耦合气体分散工艺。
亥姆霍兹环境研究中心（ UFZ）专家的检测分析证实：两种技术均能降解全氟和多氟烷基物质（PFAS），并释放出氟离子。倘若这套工艺落地工业化应用，将有助于遏制这类高持久性化学品流入河流、湖泊与海洋。
PFAS家族包含上万种短链、长链工业化合物。部分种类被怀疑会损伤遗传物质、提升患癌风险，其余多数物质对人体与生态的生物效应尚未研究透彻。它们难以被化学分解的根源，就是极其稳定的碳氟化学键。
PFAS大多经由污水排入江河海洋，如今已经遍布全球各地。研究人员近期在易北河检出高浓度PFAS，引发了人们对动植物生态以及人体健康的担忧。
空化效应：攻克难以断裂的 PFAS化学键
德国出台《国家水资源战略》，旨在保护水资源、保障饮用水供给。作为配套研究项目， HZDR科研团队致力于在这类“永久化学品”排入自然环境前，将其彻底分解。
这项前期研究始于 2022年，由博士后伊莎贝尔·瓦卡尔洛-阿吉拉尔博士牵头，团队验证了流体动力空化技术降解PFAS的可行性。
HZDR水与环境技术部负责人塞巴斯蒂安·莱内克博士解释道：“流体动力空化的原理是：让富含PFAS的水体流经狭窄节流段，水体内部会生成大量微小蒸汽气泡。”
长链 PFAS具备表面活性，会聚集附着在气泡表层。当水流离开狭窄通道后，水压回升，气泡便会发生溃灭。
“水流经过节流段下游，环境水压升高致使气泡爆裂时，附着在气泡上的PFAS会瞬间遭遇数千摄氏度的局部高温。”莱内克介绍说。
空化过程还会生成氧化性极强的羟基自由基，这类活性物质不会只针对单一化合物，可与周边各类物质发生反应。 “我们推测：羟基自由基会持续作用于降解中间产物，大幅提升PFAS的整体降解效率。”
瓦卡尔洛 -阿吉拉尔及其团队实验证实：该工艺能够降解自来水中的PFAS，并将部分结合态有机氟转化为氟离子；处理时间越久，水体氟离子浓度越高，直观证明PFAS正在不断被拆解。
本次实验主要选取持久性最强、研究最为广泛的 PFAS物质之一：全氟辛烷磺酸盐（PFOS）作为研究对象。测试结束时，流体动力空化技术以稳定速率降解了约37%的溶解态PFOS。
莱内克表示： “我们目前正在开展后续实验，目标是提升降解效率：最终让水体中PFAS降解率突破80%，同时将半数以上化合态氟矿化分解——也就是彻底打断PFAS标志性的碳氟键。”
等离子体降解效率更高，但存在成本短板
另一组实验由环境工程师阿米特 ·库马尔博士主导，采用**常压冷等离子体结合气体分散**工艺。该技术可在常温常压常规环境下运行，无需催化剂，也不用额外添加化学药剂。
库马尔在博士阶段便研究过等离子体产生的活性粒子降解微量水体污染物的机理，随后将这套理论应用于 PFAS污染水体治理。
塞巴斯蒂安 ·莱内克介绍实验装置：“我们在水面生成等离子体，同时向含PFAS污水中通入气体。PFAS会吸附在气泡表面；气泡上浮过程中水体持续循环，不断将PFAS输送至气液界面，最终在等离子体作用下被分解。”
等离子体处理技术几乎可以完全降解短链与长链 PFAS，还能将化合物中约35%的氟原子释放为氟化物盐。
不过优异的降解效果伴随着明显取舍： “相比空化技术，等离子体的反应速率要快得多，但单位水体的能耗也大幅更高。”莱内克指出，“除此之外，反应会生成大量转化副产物，现阶段还没能完成细致表征，例如反应过程中产生的气态物质。”
科研人员正在进一步实验，排查这些转化产物是否存在健康危害；若有风险，将探索抑制副产物生成的办法。
两种工艺联用，有望优化水体净化效果
研究团队现阶段正对等离子体设备进行扩容改造，用于处理更大体量的污染水体：通过加装多组电极与专业气体喷射装置，将单次反应容积从原先的 50毫升提升至5升。
长远规划是将等离子体技术与流体动力空化技术结合，融合两种工艺各自的优势。
莱内克说： “等离子体可产生大量高活性粒子，再叠加空化效应的作用，我相信联用体系能够实现超高PFAS降解率。”
倘若这套耦合系统既能保持高效降解能力，又能控制能耗与有害副产物生成，未来将成为受 PFAS污染水体治理的全新技术方案。
“Degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) forever chemical in water using hydrodynamic cavitation treatment” by Amit Kumar, Anett Georgi, Ysabel Huaccallo-Aguilar, Markus Meier, Holger Kryk, Sebastian Felix Reinecke and Uwe Hampel, 16 January 2026, Chemical Engineering Journal Advances.
DOI: 10.1016/j.ceja.2026.101046
“Enhanced degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) in tap water using gas-dispersed cold atmospheric plasma” by Amit Kumar, Ysabel Huaccallo-Aguilar, Holger Kryk, Uwe Hampel and Sebastian Felix Reinecke, 13 June 2026, Scientific Reports.
DOI: 10.1038/s41598-026-57490-6
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