氟，週期表中最小的原子之一，為數萬種產品帶來了令人印象深刻的特性。將氟原子添加到藥物分子中，可以透過減緩其在體內的分解速度來提高藥效。用於鋰離子電池中離子傳輸的電解質是含氟材料。用於保鮮食品、確保藥品安全和建築物降溫的製冷劑，以及用於哮喘吸入器和滅火器中釋放氣體的推進劑，通常都含有氟。氟也是用於不沾鍋塗層和防水材料的穩定聚合物的關鍵成分。
但氟的穩定性帶來了一個危險的遺留問題：「永久性化學品」，或稱全氟和多氟烷基物質（PFAS），它們已滲透到地球的每一個角落，從母乳到聖母峰的雪峰。一些最常見的PFAS，曾用於不沾鍋和防水塗料等應用中，對人類有毒，會干擾荷爾蒙，並對肝臟和甲狀腺等器官造成問題。
將氟引入產品的過程，也依賴於一種危險且耗能的製程，該製程將螢石（商業上稱為螢石，化學名稱為氟化鈣）與濃硫酸加熱，製成氟化氫（HF）：一種極具腐蝕性的有毒氣體，溶解在水中會形成氫氟酸。這使得礦物中鎖定的氟變得具有反應性。牛津大學化學家Veronique Gouverneur表示：「我認為HF可能是我們在這個星球上生產的最危險的化學品之一。」
化學家們數百年來一直在努力平衡氟的巨大效用與其分離和使用的危險性。但含氟化學品的普遍存在，以及越來越多地意識到許多化合物對環境和人類健康產生持久的負面影響，正促使一系列研究項目探索現有製程和產品的替代方案。
Gouverneur希望從源頭解決氟化學的問題：在螢石被處理之前。「氟化鈣不溶於水或有機溶劑，因此直接與氟化鈣進行化學反應非常困難。」她說。然而，在2023年，她實驗室的化學家們找到了一種無需製造HF即可從螢石中釋放氟的方法：利用物理作用力。將螢石與磷酸鉀鹽一起研磨，會產生摩擦力，提供反應所需的能量。這種機械化學方法正由一家名為Fluorok的新創公司商業化，該公司由Gouverneur共同創辦，總部位於牛津。「這確實是一個範式轉移，」Gouverneur說，「因為現在我可以從這個（她舉起一塊螢石）中，在我的實驗室裡製備Lipitor（一種常用的降低膽固醇的藥物，含有氟）。」
她的團隊還利用機械方法分解PFAS並回收有價值的原材料。透過將PFAS與磷酸鉀鹽一起研磨，他們能夠製備氟化鉀（KF）和單氟磷酸二鉀（K₂PO₃F），這些氟化物鹽常用於化學工業。
Fluorok的執行長兼共同創辦人Gabriele Pupo解釋說，該公司早期成功的關鍵因素之一，將是能否說服人們相信其技術可以提供另一條途徑。「每個人都認為只有一條路徑可以製造這些材料：透過HF。」他說。Pupo表示，消除使用像HF這樣危險氣體的需要，不僅更安全，而且更便宜。「每次你必須處理極具腐蝕性、劇毒、難以處理的東西時，」他說，「我們的製程與行業標準相比，成本要低得多。」
其他研究人員正試圖使氟化學成為一個循環製程，讓報廢的含氟聚合物或其他含氟化學品能夠轉化回它們最初的有用起始材料。
牛津大學的研究人員正在尋找更永續的氟化學方法。圖片來源：Thomas Player/University of Oxford
倫敦帝國理工學院的有機金屬化學家Mark Crimmin，幾乎是偶然地找到了一種使氟化學循環化的方法。「我們最終發現了一些可以破壞分子中碳-氟鍵的反應。」他說。下一步是看看他們的鍵斷裂反應可以應用於哪些方面。
Crimmin的開發帶來了可以修飾現有含氟化學品的化學方法，使其可用於其他新的合成。第一個是Crimmin稱之為「轉移氟化」的製程，該製程使用鉀鹼（而不是螢石到HF製程中使用的強酸）處理廣泛使用的製冷劑氫氟碳化物（HFCs），並產生氟化鉀，這是許多其他含氟化學品的有用起始材料。Crimmin解釋說，目前這個製程尚未完全循環，「因為含氟化學品非常穩定，你必須付出能量成本才能將它們分解。」
Crimmin的第二種方法，他稱之為「HF穿梭」，涉及從一個分子中（在此情況下是廢棄的聚偏氟乙烯（PVDF））取出一個氫原子和一個氟原子，並在催化劑的幫助下，將這些原子轉移到另一個分子上，以產生氟炔，這是一種用於製造農用化學品、藥品和許多其他含氟化學品的分子。PVDF用作鋰離子電池的塗層，Crimmin正與一家電池回收公司合作，從廢棄電池中回收PVDF，並在不重新形成螢石的情況下回收氟含量。
當然，將這些製程從實驗室的幾十克物質擴展到數噸的規模，絕非易事。Crimmin說，一個障礙是處理真實世界的系統。「獲取真正的廢棄物流是一個持續的挑戰。」他說，「學術實驗室的一個普遍挑戰是，我們處理的是純淨的物質」，而實際的廢棄物可能含有雜質或含氟化學品的混合物。
Crimmin正與A-Gas公司合作，這是一家位於英國布里斯托附近的國際公司，該公司生產和管理製冷劑。A-Gas擁有從工業和商業場所回收廢棄製冷劑的團隊，然後將其提煉後重新出售給市場。Crimmin正與該公司討論在廢棄製冷劑被重複使用之前獲取它們。「我們對替代方案感興趣，即將這些廢棄產品轉化為其他氟化物化學品。」他說。
隨著實驗室湧現出如此有前景的氟化學研究成果，一個關鍵問題是如何說服大規模產業投入更多時間和金錢，將新興的創新轉化為改變遊戲規則的解決方案。
對化學工業的嚴格監管可以觸發變革，例如解決臭氧層空洞的努力就是一個成功的範例。1987年簽署的《蒙特婁議定書》禁止了幾種破壞臭氧層的氯氟烴（CFCs），這些物質在當時被廣泛用作製冷劑和推進劑。該議定書後來於2007年更新，逐步淘汰氫氯氟烴（HCFCs），這些物質最初被用作CFCs的替代品。自這些措施實施以來，臭氧層空洞已經縮小，但一個連鎖反應是，替代的HFC製冷劑是強效溫室氣體。HFCs於2016年被納入該議定書，目標是在2040年代後期將其減少80-85%。
旨在限制PFAS的具體法規因地區而異。最令人擔憂的PFAS類型，全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS），曾用於不沾塗層和耐熱材料，由於其在環境中的持久性、與癌症和其他健康問題的關聯，以及對飲用水的污染，已在歐洲和美國被禁止或嚴格限制。在加拿大，人們擔心未受限制的替代PFAS正在取代被禁物質，這促使一項提議將所有PFAS歸類為管制化學品。
IDTechEx公司的高級技術分析師Shababa Selim表示，對於產業而言，PFAS法規已經迫使一些改變，儘管公眾認為PFAS對環境具有災難性的看法，現在也對減少其使用產生了影響。
隨著公眾對PFAS影響的擔憂和法律訴訟的增加，化學工業應對氟化學危害的努力似乎正在增長。到目前為止，化學公司已因與歷史性PFAS暴露相關的環境和健康問題，支付了數百萬美元的和解金。
包括加拿大當局和歐盟在內的許多政府機構，都積極提出立法以應對此類問題，非政府壓力團體的工作也在推動變革方面發揮了重要作用。其中，總部位於瑞典的ChemSec公司（其資金來源包括瑞典政府、歐盟和環保慈善機構）每年發布一份名為ChemScore的評分表，評估全球最大化學公司的環境影響。這些公司對PFAS等持久性化學品的處理方式是其評估的主要方式之一。
ChemSec項目總監Jonatan Kleimark表示，歐洲的嚴格監管正在引領全球逐步淘汰PFAS的方向。「如果歐盟對PFAS實施限制，我認為這將推動市場，並使亞洲國家更難不提供替代品，不改變其產品的化學成分。」他說。Kleimark補充說，這將在全球範圍內產生影響，儘管進展速度會比有全球共識限制PFAS要慢。
Kleimark表示，在美國，沒有全國性的聯邦限制PFAS的規定，但在州級，含氟化學品受到限制。這對化學公司及其選擇生產的產品產生了更廣泛的國家和國際影響。
歐盟更嚴格監管的可能性仍在懸而未決，目前正在考慮全面禁止所有PFAS，但預計要到2027年才會有決定。Kleimark說，在未來立法的範圍明確之前，產業可能會因為缺乏市場確定性而對創新卻步。「如果你不知道市場的確定性，你就不太願意投資於這些解決方案。」他說。
到目前為止，產業應對立法的做法是將被禁的PFAS替換為其他允許的版本。一些公司應對挑戰的另一個例子是，在生產含氟聚合物時開發非氟化表面活性劑。表面活性劑確保聚合物均勻形成而不會結塊，使用無氟版本是減少整個製程的含氟化學品足跡的一種方法。
這種方法，以及Crimmin和Gouverneur等研究人員的工作，表明解決氟化學巨大挑戰的方案，可能涉及改變製程以使PFAS的生產和產品更安全，而不是開發完全的替代品。
歐洲製藥工業協會聯合會（一個代表歐洲製藥業的布魯塞爾貿易協會和遊說團體）的一份報告建議，幾乎30%的含PFAS醫療產品沒有可行的替代品。含氟化合物的穩定性是它們如此普遍的原因。
IDTechEx的技術分析師Thomas Bithell說：「這些化學品如此有用的原因，也是它們引起重大環境擔憂的原因。」「這些材料高度惰性，在環境中不會分解。在半導體行業等應用中，根本沒有其他化學品能提供同等水平的性能。」
此外，產業在清理數十年來不受管制的化學品生產遺留問題方面，仍有許多工作要做。也許因此，認為含氟產品不會消失是不現實的：挑戰在於永續生產、負責任的廢棄物處理，以及最終的循環利用。
