全氟和多氟烷基物質（Per- and polyfluoroalkyl substances，PFAS）是一類多樣化的人工合成化學品，廣泛用于塑料、紡織品、食品包裝材料和滅火泡沫中。在過去的半個世紀里，PFAS的大量使用和不規范的廢棄物處理，使得其廣泛積累在土壤中。進而，通過食物鏈，PFAS可以在生物體中積累且具有嚴重的生物毒性。由于C-F鍵能高（~485?kJ?mol?1）和長半衰期（在土壤中超過100年），PFAS難以通過常規的自然分解或微生物處理有效消除。常規的PFAS處理方法包括吸附劑固化，化學氧化和熱處理等。然而，固化的方法利用吸附劑減少PFAS流動性，但并不能降解土壤中的PFAS，土壤中的PFAS仍會造成長期的環境危害。化學氧化和熱處理方法會產生大量的廢水和廢氣污染物，對環境造成二次污染，且處理過程會對土壤的性質造成嚴重的破壞。因此，開發一種高效、經濟且通用的方法來修復受PFAS污染的土壤尤為必要。在熱處理過程中利用堿金屬或堿土金屬離子（如鈣離子Ca2+）將PFAS轉化為無毒的金屬氟化物，這種礦化過程被認為是有效降解PFAS的新方法。基于此，美國工程院院士、美國萊斯大學化學系James M. Tour教授團隊發展了一種快速電熱礦化的新方法。他們利用環保的生物炭作為導電添加劑，通過直流脈沖輸入，使污染土壤的溫度在幾秒鐘內迅速升高到1000 ℃以上。同時，在該過程中，借助土壤和生物炭中固有Ca2+，PFAS被礦化為天然存在且無毒的氟化鈣（CaF2）。由于該反應在在密封系統中進行，該過程幾乎不產生有害的碳氟（CxFy）氣體排放。同時，研究發現，該技術可以有效實現多種PFAS的礦化，且同時具有高去除效率（>99.9%）和高氟礦化率（>90%），展示了其廣泛的適用性。不同于長時間焙燒的方法，這種快速電熱的方法增加了處理后土壤中的可交換營養物質的含量，保持了土壤的粒徑、成分和水滲透率，且處理后的土壤適用于動物培養（存活率與清潔原土相當）。作者同時將該方法拓展至公斤級土壤的有效修復，同時有望實現污染土壤的原位修復。生命周期評估顯示，REM具有低能耗、無水消耗和極少的溫室氣體排放，使其成為現有土壤修復技術中具有吸引力的環保替代方案。該工作以Electrothermal mineralization of per- and polyfluoroalkyl substances for soil remediation為題，發表于國際知名期刊《Nature Communications》，萊斯大學博士后程熠博士、鄧兵博士（現清華大學助理教授）為論文的共同第一作者，鄧兵博士、萊斯大學James Tour教授和科爾萬大學趙玉峰教授為論文通訊作者。 圖2. 快速電熱礦化法對于不同種類PFAS礦化的普適性。圖4. 快速電熱礦化放量處理污染土壤，以及該過程的生命周期和技術經濟分析。Yi Cheng, Bing Deng, Phelecia Scotland, Lucas Eddy, Arman Hassan, et al.Electrothermal mineralization of per- and polyfluoroalkyl substances for soil remediation. Nature Communications, 2024, 15, 6117.原文鏈接：www.nature.com/articles/s41467-024-49809-6程熠，萊斯大學博士后，萊斯學術學者（Rice Academy Fellow），博士后合作導師：James M. Tour教授。2017年本科畢業于復旦大學，2022年博士畢業于北京大學，師從劉忠范院士。目前主要研究方向是廢棄資源的回收利用、新型功能材料的制備以及環境污染物治理等。以第一/共同第一作者在Nature Sustainability, Nature Communications, JACS, Advanced Functional Materials, ACS Nano等期刊發表論文十余篇。 鄧兵，清華大學助理教授、特別研究員、博士生導師。主要研究方向為開發基于電能的新型低碳電氣化方法用于戰略關鍵金屬循環回收、固體廢棄物資源化利用、功能納米材料的制備及在環境和能源領域的應用等。趙玉峰，科爾萬大學教授。主要研究方向為基于分子動力學模擬和DFT方法的無機納米材料相變過程和電催化機理等方面的理論計算研究。James M. Tour，萊斯大學教授、美國工程院院士、美國發明家科學院院士。Tour教授在納米科學技術領域做出了廣泛的貢獻，包括納米電子、碳材料、納米醫學、分子機器、用于電池電催化和納米材料制備、閃速焦耳熱技術用于材料制備和環境修復等。
