普林斯顿大学EST：水-空气界面处全氟烷基物质PFAS和多氟烷基物质的相互作用

文摘 2025-01-23 11:31 浙江

本文是关于全氟和多氟烷基物质（PFAS）在水-气界面相互作用的研究，通过分子动力学模拟，深入探讨了PFAS在不同界面密度下的行为，为理解其环境归趋和修复技术提供了重要依据。

1.研究背景：

全氟和多氟烷基物质（PFAS），即所谓的 “永久性化学物质”，对人类健康构成了紧迫威胁。其广泛应用、环境持久性、在痕量浓度下的不良健康影响以及传统水处理方法难以有效去除等问题，引发了人们的高度关注。PFAS 具有很强的表面活性，会在水 - 气界面吸附，这一特性对其在环境中的迁移转化和修复技术的效果有着重要影响。此前，虽然有研究探讨了 PFAS 对原始水 - 气界面的亲和性，但自然环境或处理系统中的水 - 气界面通常含有大量其他有机污染物或天然有机物，而 PFAS 在这种有机负载界面上的行为尚未被充分理解。并且，以往的吸附研究大多孤立地考察单个 PFAS，忽略了其在混合物中的情况。因此，有必要深入研究 PFAS 在混合物中以及高界面负载下的行为，这对于准确预测其环境归宿和设计更有效的修复方法至关重要。

2.研究方法：

运用分子动力学模拟，构建包含1900个水分子的水 slab体系，设置不同的PFAS负载量，模拟多种PFAS化合物（5种阴离子型、1种两性离子型、1种阳离子型前体）。采用多种原子间势能模型，计算径向分布函数、表面张力和聚集势能等。

3. 研究结果：

本文通过分子动力学模拟研究PFAS在水-气界面的行为，结果涵盖模拟验证、PFAS的分布与相互作用等多个方面，对理解PFAS吸附现象及相关环境行为意义重大。

1.模拟结果与实验验证：通过对比模拟预测和实验测量的表面张力随表面过剩的变化，验证了模拟在较高负载下的准确性。在无过量盐时，PFBS和PFHxS的模拟结果符合(chi = 2)的实验曲线，PFOA则符合(chi = 1)的曲线，表明(chi)对阴离子基的身份敏感。在高盐度（1 M NaCl）下，PFBS的模拟结果在低负载时更接近(chi = 1)曲线，高负载时接近(chi = 2)曲线，与理论预期一致。

图 2.随着全氟丁烷磺酸盐（PFBS）、全氟己烷磺酸盐（PFHxS）和全氟辛酸酯（PFOA）表面过量（Γ）的增加，水的表面张力（Δγ）发生变化。

2.PFAS在界面的取向和分布：PFAS的取向和分布受表面负载、烷基链长度、头基化学性质以及混合物组成的显著影响。长链化合物在所有模拟系统中都能稳定存在于界面，而短链化合物在水中有较高溶解度。低界面负载时，化合物头基在水相中的锚定更深，随着界面拥挤程度增加，头基溶剂化作用减弱。在最高负载（(n = 40)）时，部分化合物会使水表面变形，一些化合物呈现出胶束或初始双层的密度分布特征。

图 3.PFHxS（绿色）、PFHxSaAm（紫色）和水（蓝色）中所选原子在垂直于水-空气界面方向上的密度分布。

3.PFAS在界面的聚集现象：通过计算PFAS头基在界面平面内的径向分布函数（RDFs），发现PFAS头基存在明显的空间相关性，在特定距离处存在聚集现象。磺酸盐类PFAS的RDF主峰在所有负载下都保持在(6.9 pm 0.1 mathring{A}) ，羧酸盐类PFAS在低负载（(n leq 10)）时，主峰在(6.1 pm 0.4 mathring{A}) ，高负载时迅速移动到(5.1 pm 0.1 mathring{A}) ，且第一壳层邻居数量显著增加，表明其在高负载时形成更紧密、聚集程度更高的界面涂层。

图 4.PFAS 分子在界面平面内的聚集。

4. PFAS聚集的能量分析：计算PFAS聚集的势能差(Delta E_{cluster}) ，发现总体上PFAS在界面聚集的能量趋势不明显，但范德华力（vdW）和库仑力对聚集的贡献具有较大的正值或负值。库仑力在同性电荷聚集时表现出强烈的排斥作用，在阴阳离子混合物中则因正负电荷头基的有利相互作用而减弱；vdW力因氟化尾部的疏水吸引表现出强烈的聚集倾向，且与全氟烷基链的长度有关。

4. 讨论

我们的研究结果探讨了水-气界面处PFAS分子间的相互作用。尽管在大多数自然系统中，由于PFAS浓度较低，这种现象的影响应该较小，但它对于解释PFAS吸附等温线至关重要，吸附等温线常被用于推断低浓度下PFAS的吸附情况。此外，虽然为简化研究，我们主要关注PFAS-PFAS之间的相互作用，但我们的研究结果与水-气界面处PFAS与其他有机物之间的相互作用也密切相关。

本文的研究结果解释了为何PFAS至少在某些条件下会呈现出朗缪尔型吸附，同时又对盐度、界面处其他表面活性剂的种类和含量高度敏感。具体来说，界面处PFAS聚集的势能极小，这是因为较大的有利（疏水）和不利（库仑）相互作用几乎相互抵消，所以这些相互作用中的任何一个发生变化（例如，由于烷基链长度、盐度或表面活性剂混合物中电荷分布的改变），都会对聚集的总能量产生极大的影响。根据PFAS的种类和浓度不同，有机碳存在时PFAS的吸附量会出现增加或减少的矛盾结果，这可能就是上述效应导致的。

我们的研究结果还有助于解释在泡沫分离中，不同辅助发泡剂效果存在显著差异的现象。例如，阳离子型辅助发泡剂在去除PFAS方面通常比阴离子型（效果最差）或两性离子型（效果中等）的发泡剂更为有效。PFAS与阳离子表面活性剂形成的阴阳离子混合物中，静电斥力较小，这可能使它们在水-气界面的吸附更易发生，进而形成更致密、更稳定的泡沫，有利于PFAS的去除。

更广泛地说，我们的研究结果表明，水-气界面处有机涂层的稳定性取决于疏水相互作用和库仑相互作用之间的微妙平衡，这与在电极表面观察到的有机离子现象相符，比如离子液体的界面结构会在电压控制下发生突变，或者通过调节电压和渗透剂来调整静电和疏水相互作用的平衡，进而控制表面活性剂在电极表面的吸附。

综上所述，我们的研究结果表明，吸附在水-气界面的PFAS之间的横向相互作用十分重要，在其他疏水表面，如颗粒活性炭和土壤矿物质表面，这种相互作用可能同样重要。在描述PFAS在环境和处理系统中的归趋时，不仅要考虑通常浓度较低的PFAS本身，还应考虑其前体、其他污染物和天然有机物的浓度，这些物质会占据界面，进而促进或抑制PFAS的吸附。考虑与PFAS共存于界面的化合物，有助于更准确地预测其归趋和迁移，并设计出更高效的修复方法。

Lemay, A. C., & Bourg, I. C. (2024). Interactions between Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) at the Water−Air Interface. *Environmental Science & Technology*. https://doi.org/10.1021/acs.est.4c08285

关注“新污染物监测与分析”公众号

声明：本文仅供科研交流使用，文中所有观点均来源于已发布的论文，如有侵权或重大问题请通过后台与编辑联系。

欢迎高校、科研单位以及监测同行的朋友们投稿！邮箱6514064@zju.edu.cn。感谢您的点赞、转发、在看，您的鼓励是我们更新的动力！

添加编辑微信 xwrw1234 加入读者交流群，与大咖在线交流

继续阅读？点击链接阅读合集内推文

#抗生素	#微塑料	#全氟化合物
纳米塑料	#有机磷酸酯	#新污染物分析技术
#内分泌干扰物	#新污染物处理技术	#科研动态

新污染物监测与分析

“新污染物监测与分析”致力于探索和分享新污染物研究动态、前沿热点以及最新发表的学术论文。为科研人员、学者、管理者搭建一个专业的信息交流平台，共同关注和应对新污染物带来的环境和健康挑战。

华南师范大学EST Water：利用可疑筛查、非靶向筛查及机器学习技术识别大型河流中的抗生素及其转化产物并进行风险评估

普林斯顿大学EST：水-空气界面处全氟烷基物质PFAS和多氟烷基物质的相互作用

分析试验室：QuEChERS 增强型去除脂质技术结合超高效液相色谱-串联质谱法测定禽蛋中29种咪唑类药物及其代谢物残留

食用鱼肉中12种卤代有机污染物的测定

厦门理工环境学院最新EP综述：微塑料迁移和转化途径以及健康暴露风险

欧洲环境科学：泰国动物类群微塑料污染的系统综述：现状剖析、生态影响与研究展望

环境科学：黄柏河表层水、沉积物和大型底栖动物微塑料赋存特征

环境污染物的跨胎盘转移效率研究进展

阿姆斯特丹大学EI：中水回用中新兴化学品的风险特征

北京理工大学Nano：深入了解极端操作条件下电极-电解质界面的微观动力学

大连理工大学谭峰教授团队EH：光老化在胃肠道条件下促进 PLA-PBAT 可生物降解塑料释放有毒的微纳米塑料

上海交通大学戴家银团队Nature Communications：可乐饮料可降低误食污染土壤颗粒导致的铅中毒风险

南京大学环境学院韦斯教授团队自然通讯：双层同系物网络方法用于全氟和多氟烷基物质（PFAS）的非靶向筛查和回顾性数据挖掘

泰国榴莲被检出致癌物-碱性嫩黄，中国海关：暂停进口

ES&T Water：饮用水处理厂中粉末活性炭与颗粒活性炭去除 PFAS 的比较评估

博鳌亚洲论坛发布全球科技创新十大趋势

华中农业大学EST ：中国稻田汞甲基化微生物分布及环境因素解析

科研动态：北京大型EEPS小组在Social Science & Medicine发表论文探究我国环境健康风险价值评估参数

科研动态：城市环境研究所在砷暴露诱导肝脏毒性的表观遗传机制研究中取得新进展

Environmental Health：全球 DNA 甲基化、血铅与尿砷水平对学龄前儿童发育迟缓的联合影响

【科研进展】Water Research：解析水生生态系统中微塑料相关抗生素抗性基因的机制：来自宏基因组分析和机器学习的启示

原创：探秘-微塑料分析技术之"热裂解-气相色谱-质谱法(PY-GC-MS)"

江桂斌院士、赵进才院士以及环境化学领域知名专家在化学进展发表封面文章：新污染物

2025年最具前景的职业之一——嗅辨员培训开始招生啦

北京科技大学EST letters：香烟过滤嘴 - 人类被忽视的邻苯二甲酸酯暴露来源

新污染物分析技术：采用微塑料方法并结合热解气质联用技术对轮胎磨损颗粒进行量化分析

EP：洞察中国饮用水抗性基因/耐药组动态

环境科学：乡镇生活污水处理厂抗生素污染研究：现状、风险与应对策略

生态中心史亚利团队EST：全氟烷基和多氟烷基物质与女性健康问题：基于性别的累积差异、不良后果和机制

朱永官院士团队EST｜利用大型语言模型助力抗菌药物耐药性政策制定：将环境因素融入健康保护规划

密苏里大学ES&T：多氟烷基物质在氯消毒过程中的转化途径

科研动态：潘波教授团队和中科院城市环境研究所合作EST：与较大团簇相比，较小的多环芳烃分子团簇对微生物有更强的毒性和更高的风险

最新Total：污水处理厂微塑料排放的环境影响量化剖析-生命周期评估视角

上海海洋大学EST Letters：轮胎磨损与空气排放-氯化石蜡排放研究揭秘中国多车型轮胎中的潜在环境风险

新污染物分析参数查询工具上线了！

哈尔滨工业大学WR综述：氯化诱导的抗生素抗性基因在饮用水系统中的传播

为何孩子需要更多冒险：Nature科学揭示野外自由玩耍的益处

丽水学院生态学本科生EP|基于综合生物标志物的生态风险评估：蝌蚪对磷酸三(2-氯乙基)酯、磷酸三(2-氯丙基)酯环境暴露的响应

广东工业大学最新ES&T：不同类型微塑料对冷泉微生物多样性和功能的影响

武汉大学袁必锋课题组JHM｜配对母体和脐血血清中环境污染物的跨胎盘转移

顶刊加入生命周期分析LCA和TEA！多伦多大学教授在《Nature》和《Science》上发表论文，已成为标配！

中科院土壤所、东北师范大学ES&T：揭开废水处理厂中微塑料与PFAS相互作用的真相！

色谱柱填料：物质分离的微观奥秘与关键要素

科研动态：付杰团队-氯消毒剂显著改变了污水处理厂中的微型动物栖息地、群落结构和定殖模式

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉