《Nature》磷助力机械化学法降解 PFAS 实现氟再利用：开启可持续循环氟经济新篇

《Nature》：Phosphate-enabled mechanochemical PFAS destruction for fluoride reuse

PFAS 作为持久性、生物累积性污染物危害人类健康，当前缺乏通用且能回收氟的降解方法。牛津大学等研究人员开展了 PFAS 降解及氟回收研究，发现用磷酸钾盐在机械化学条件下可降解多种 PFAS，实现氟再利用，为解决 PFAS 污染和资源循环利用提供新途径。

　　

在现代工业蓬勃发展的时代，一类特殊的化学物质 —— 全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS），却如潜藏的 “环境幽灵”，给人类健康和生态环境带来了巨大威胁。自 20 世纪 40 年代起，PFAS 因其独特的化学性质，被广泛应用于纺织、消防、食品包装、医疗设备等众多领域 。然而，其分子结构中大量的碳 - 氟（C - F）键，虽然赋予了它卓越的性能，却也成为了其在环境中难以降解的 “护盾”。如今，PFAS 已广泛存在于饮用水、农产品、牲畜体内，长期接触会对人体健康造成负面影响。

面对这一严峻的环境挑战，如何有效降解 PFAS 并实现氟资源的回收利用，成为了全球科研人员亟待攻克的难题。在此背景下，来自英国牛津大学化学研究实验室以及美国科罗拉多州立大学化学系的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature》上。

为了实现 PFAS 的高效降解与氟回收，研究人员采用了机械化学法，让 PFAS 与磷酸钾盐在无溶剂的条件下发生反应。这种方法不仅能够将多种 PFAS，包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等含氟塑料，转化为高价值的氟化学品，还能将氟以 KF 和 K₂PO₃F 的形式回收，用于氟化学合成。同时，磷酸钾盐可回收再利用，对磷循环几乎没有负面影响，为可持续的循环氟经济发展提供了可能。

研究人员运用了多种关键技术方法来开展这项研究。其中，核磁共振（NMR）光谱技术被用于分析反应产物的成分和结构，通过¹⁹F NMR 光谱和³¹P NMR 光谱，能够准确测定氟和磷的存在形式及含量。密度泛函理论（DFT）计算则用于研究不同阴离子分解 PTFE 的反应活性，从理论层面揭示反应机理。

研究结果具体如下：

• PTFE 降解反应研究：研究人员在以萤石合成氟化学品的过程中，偶然发现球磨 CaF₂与磷酸盐盐时，PTFE 中的氟会发生浸出。进一步研究发现，用 K₃PO₄或 K₄P₂O₇球磨 PTFE，能实现接近定量的氟回收。不同的磷酸盐盐对 PTFE 降解效果不同，K₃PO₄和 K₄P₂O₇表现较为突出。通过多种光谱分析手段，确定了反应产物的组成，包括 KF、K₂PO₃F 等，以及碳骨架的变化情况。

• 反应机理探究：控制实验表明，K₃PO₄和 K₄P₂O₇在无 PTFE 时反应活性较低，PTFE 降解产物中的 K₂CO₃对 PTFE 降解有一定作用。DFT 计算显示，不同阴离子的亲核性与矿化产物的产率呈正相关，K₃PO₄、K₄P₂O₇和 K₂CO₃在 PFAS 降解反应中的活化能较低，反应动力学可行。

• PFAS 降解普适性研究：该方法对多种聚合物和非聚合物 PFAS 都有效，包括不同形式的 PTFE、PVDF、聚氯三氟乙烯（PCTFE）、全氟辛酸（PFOA）、全氟辛烷磺酸（PFOS）等，甚至能降解电子冷却液 FC - 70。

• 氟化学品合成与应用：从 PTFE 反应产物中成功分离出 KF，并用于合成多种高价值氟化学品，如 2 - 氟 - 5 - 硝基苯甲腈、甲基 2 - 氟异丁酸酯等，这些都是重要药物和除草剂的前体。同时，还制备了四甲基氟化铵（TMAF）、四丁基氟化铵（TBAF）等氟试剂，用于合成其他氟化学品。

• 磷酸盐回收利用研究：研究发现，通过调整反应条件，在降解 PTFE 的同时可实现 KF 的分离和磷酸盐的回收。回收的 K₃PO₄在多次循环使用中仍能保持较好的性能，有效实现了磷资源的循环利用。

综上所述，这项研究提供了一种全新的 PFAS 管理方法，将矿化过程与氟回收相结合，适用于各类 PFAS 的降解。磷酸钾盐在 PFAS 降解和氟试剂分离方面表现出色，且可回收再利用，对有限的磷矿资源和磷循环影响极小。该研究成果不仅为控制 PFAS 的环境影响提供了有效手段，还推动了氟化学工业的可持续发展，为解决全球资源短缺和供应链不稳定等问题提供了新的思路和方向。