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全氟和多氟烷基物質(per- and poly-fluorinated alkyl substances, PFASs)為一類非芳香族的有機化合物，其氫原子已經完全(全氟化)或大部分(多氟化)被氟原子取代，這類物質在1940年即被人工合成製造出來，穩定性高且不易分解，碳原子與氟原子的鍵結力非常強(~110 kcal/mol)，所以被冠上所以被冠上「永久化學物質(forever chemicals)」^[1]，目前已知有14,000多種PFASs被定義^[2]，近期在國內外備受關注。

的結構為兩個碳到數十個碳鍵結大量氟原子，長鏈結構以線狀、環狀或多環芳香烴等形式存在，由一端的疏水性氟化烷基鏈和另一端的親水性官能基組成 (圖1)，依官能基組成分為兩大類^[3]：(1)鍵結羧基(-COOH)即為全氟羧酸(perfluoroalkyl carboxylic acids, PFCAs)，最為人熟知的物種是全氟辛酸(perfluorooctanoic acid, PFOA)；(2)若為磺酸基(-SO₃H)則為全氟烷基磺酸鹽(perfluoroalkyl sulfonates, PFSAs)，代表物種為全氟己烷磺酸 (perfluorohexanesulfonic acid, PFHxS)及全氟辛烷磺酸(perfluorooctanesulfonic acid, PFOS)。

圖1 長鏈與短鏈全氟/多氟烷基物質(PFASs)結構^[4]

PFASs的抗熱、抗水、抗油及污漬等特性，被廣泛應用在工業和民生領域，如金屬電鍍和蝕刻、建築和施工、光刻和半導體；其他產業包含食物包裝和炊具、紙張、紡織品、皮革、地毯、床墊及消防材料等，透過生產、使用和廢棄過程，最終會進入土壤、水源和生物食物鏈，形成所謂的「永久化學物質」。PFASs具有極高的持久性，能夠在環境中長期存在並不斷積累，對環境造成衝擊。PFASs具有生物累積性，穩定性高又不易分解，暴露後可能會造成甲狀腺、氣喘、焦慮、肥胖等慢性人類疾病，及小兒過敏、高尿酸血症、過氧化物酶體增生、免疫毒性、腎臟疾病、肝臟損傷及心血管疾病等負面影響^[5]，因此全球開始限制或禁止長碳鏈(C₇~C₈) PFASs的使用，更長碳鏈(C₉~C₁₄)或短碳鏈(C₄~C₆) PFASs逐步被取代作為替代品使用，導致生態環境中PFASs的檢出量持續增加。

目前各國尚無廢(污)水放流水PFASs排放標準，僅飲用水強制性標準或建議值(表1)，世界衛生組織(WHO)在2022年提出PFOS和PFOA的建議值為100 ng/L，總量PFASs≤ 500 ng/L；美國在2023年提出飲用水法規草案，PFOS和PFOA的限值為4 ng/L。我國環境部在2024年預告修正飲用水標準，自2025年起，PFOA和PFOS總量不得超過50 ng/L，PFOS和PFHxS總量不得超過70 ng/L，預計在2027年07月正式管制及開罰。此外，自2026年起，針對科學園區與工業區專用污水，以及半導體、光電、電鍍、金屬表面處理、印染整理、紡織、製革、造紙與化工等使用光阻劑、鉻霧抑制劑或撥/潑水化學品的產業，須申報放流水中PFOS (120 ng/L)、PFOA (1,700 ng/L)、PFHxS (2,100 ng/L)含量，由此可見各產業對PFASs處理的需求將顯著增加。

表1 各國飲用水對PFASs強制性標準或建議指引值

PFASs的處理目前多以物理吸附或分離技術為主，常見方法包括活性碳、陰離子交換樹脂、薄膜過濾及泡沫分餾(圖2)。分別介紹如下：
1. 活性碳：主要透過孔洞的疏水性(hydrophobicity)，吸附PFASs分子中的氟化烷基鏈，碳數越多吸附效果越好。其次，親水端官能基也會有靜電作用力(electrostatic interaction)輔助吸附。飽和後的活性碳通常需高溫燃燒再生，但此方式耗能高，且孔洞結構易受損，吸附效能隨再生次數遞減。
2. 強鹼性陰離子交換樹脂：PFASs的酸解離常數(pKa值)低，易在水中解離為陰離子如R-SO₃⁻、R-COO⁻，因此無論碳鏈長短，皆能達到良好吸附效果。再生方式則以鹽類及有機溶劑進行再生，鹽類如氯化鈉、氫氧化鈉係脫附由離子交換機制所吸附的PFASs，而有機溶劑如甲醇、乙醇則主要弱化樹脂和PFASs間的疏水性作用力，達到樹脂再生目的。
3. 薄膜過濾(NF與RO)則依靠尺寸篩分(size exclusion)、靜電排斥(electrostatic repulsion)與疏水性作用力進行分離。
４. 泡沫分餾(foam fractionation)：利用其表面活性特性，於水氣介面產生泡沫，將PFASs濃縮收集。
然而上述技術多屬於分離或濃縮，後續仍須面對吸附材料再生與濃縮排水處理問題。PFASs屬於難分解的新興污染物，特別是在放流水中濃度僅達微克量級(~μg/L)，屬於微量污染。要有效解決PFASs殘留問題，需整合「分離(separate)」、「濃縮(concentrate)」與「破壞降解(decompose)」等多項技術，才能達到有效解決水環境中的殘留PFASs問題。

圖2 全氟和多氟烷基物質(PFASs)物理分離技術機制^[6,7]

傳統氧化技術如氯(chlorine)、臭氧(ozone)或過氧化氫(hydrogen peroxide)對PFASs的降解效果有限，主要是因為碳氟鍵(C-F bond)極為穩定，難以被一般氧化劑破壞。此外部分氧化技術可能會產生更難處理的副產物，增加二次污染風險。超臨界水氧化技術(supercritical water oxidation, SCWO)可以透過氧氣(或氧化劑)與超臨界水的混合，在超過374oC及22.1 MPa的條件下徹底分解PFASs，但能耗高且會產生腐蝕性的氫氟酸或硫酸，氧化過程產生的鹽類也會造成反應器結垢問題。

PFASs降解處理最具潛力的技術有光還原與電化學氧化技術(圖3)，其中新型光還原技術主要利用UV光(或真空紫外線VUV)與亞硫酸鹽(SO32-)反應，產生具有高還原力的水合電子(hydrated electron, eaq−)，標準還原電位為-2.87 V (pH 7.0)，而PFAS的C-F鍵具有很強的電負性，屬於強拉電子基團(electron-withdrawing groups)，相較於其他自由基，更容易被親核基(nucleophile)如水合電子攻擊而達到斷鍵脫氟(defluorination)目的[8]；電化學氧化技術則是利用電場驅動電極如摻硼鑽石(boron-doped diamond, BDD)產生電子轉移，並促使強氧化劑如羥基自由基(•OH)及硫酸鹽自由基(SO4•-)來氧化分解有機污染物，最終將其轉化為二氧化碳、水或其他離子[9]，達到礦化目標，綠色電化學技術具有反應時間短(數十分鐘~小時)，占地空間小且環境友善(無須加藥、僅需供電、易自動化操作)等特點，使其發展備受關注。水科技團隊利用BDD電極進行電氧化技術破壞微量短鏈PFASs (如PFBA或PFBS)，目前降解率可達90~99%，脫氟率可達70~99%，在礦化及脫氟效能皆取得良好的處理成果，未來應用上極具潛力。

圖3 全氟和多氟烷基物質(PFASs)氧化與還原技術示意(本研究自繪)

隨著各國對於長碳鏈(C₇~C₈) PFASs環境污染問題的關注和管制，更長碳鏈(C₉~C₁₄)或短碳鏈(C₄~C₆) PFASs紛紛作為替代品使用，導致環境中PFASs的檢出量持續增加；然長碳鏈及短碳鏈PFASs對生態環境及人體的危害也不容忽視，特別是短碳鏈PFASs具有碳數少且疏水性弱的特性，致使無論是物理分離及化學處理的困難度皆大幅提升；因此，為解決水體PFASs污染問題，合適的破壞降解技術開發刻不容緩。

參考文獻

1. Brunn, H., Arnold, G., Körner, W., Rippen, G., Steinhäuser, K. G., & Valentin, I. (2023). PFAS: forever chemicals—persistent, bioaccumulative and mobile. Reviewing the status and the need for their phase out and remediation of contaminated sites. Environmental Sciences Europe, 35(1), 1-50.
2. US EPA (2021) PFAS master list of PFAS substances. https:// compt ox.epa. gov/ dashb oard/ chemi cal- lists/ pfasm aster. Accessed 27 May 2022.
3. Wang, Z., Buser, A. M., Cousins, I. T., Demattio, S., Drost, W., Johansson, O., Ohno, K., Patlewicz, G., Richard, A. M., Walker, G. W., White, G. S. & Leinala, E. (2021). A new OECD definition for per-and polyfluoroalkyl substances. Environmental Science & Technology, 55(23), 15575-15578.
4. Lee, H., Roberts, S., Butt, C. M., Lodge, S., Ye, R., Young, C., & VandenBoer, T. Simultaneous quantitation of ultrashort-, short-and long-chain PFAS in water by a single direct injection LC-MS/MS method.
5. Lenka, S. P., Kah, M., & Padhye, L. P. (2021). A review of the occurrence, transformation, and removal of poly-and perfluoroalkyl substances (PFAS) in wastewater treatment plants. Water Research, 199, 117187.
6. Zeidabadi, F. A., Esfahani, E. B., & Mohseni, M. (2023). Effects of water matrix on per-and poly-fluoroalkyl substances (PFAS) treatment: Physical-separation and degradation processes–A review. Journal of Hazardous Materials Advances, 10, 100322.
7. Comfort, S., da Silva, A. A., Powell, J., Cain, R., McGreer, A., & Dantas, R. F. (2025). Remediating per-and polyfluoroalkyl substances (PFAS)-contaminated water by foam fractionation and electrochemical oxidation. Environments, 12(6), 185.
8. Chen, G., Liu, S., Shi, Q., Gan, J., Jin, B., Men, Y., & Liu, H. (2022). Hydrogen-polarized vacuum ultraviolet photolysis system for enhanced destruction of perfluoroalkyl substances. Journal of Hazardous Materials Letters, 3, 100072.
9. Zhang, H., Sun, W., Zhang, J., & Ma, J. (2024). Vacuum-ultraviolet based advanced oxidation and reduction processes for water treatment. Journal of Hazardous Materials, 134432.

撰寫人：趙淑如
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