本文探讨了利用硬脂酸改性磁性生物炭(SMBC)实现微塑料高效去除及其废弃吸附剂循环再生的绿色技术

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Mechanistic and machine-learning insights into microplastic adsorption on modified magnetic biochar for circular-economy applications

本研究针对水体微塑料污染这一全球性环境问题，开发了一种基于稻壳的硬脂酸改性磁性生物炭(SMBC)，用于高效去除聚苯乙烯微塑料(PS MPs)。该材料通过结合疏水性修饰、磁分离特性及可解释的机器学习模型，揭示了吸附过程的关键调控因子，并创新性地将使用后的吸附剂热解转化为可再次利用的碳材料，实现了从去除到资源化再利用的闭环，为可持续水处理和循环经济提供了新策略。

　　

当你在海边漫步，或是饮下一杯自来水时，你可能想象不到一种肉眼难以察觉的威胁——微塑料，正悄然渗入我们的水环境。这些尺寸小于5毫米的塑料碎片，因其巨大的比表面积和持久性，不仅能直接危害水生生物，还可能成为重金属、药物等污染物的“顺风车”，对生态系统和人类健康构成潜在风险。随着全球塑料产量和消费量的持续增长，到2060年，环境中微塑料的释放量预计将比2000年激增数十倍。传统的吸附剂，如壳聚糖、氧化石墨烯等，虽有一定效果，但面临成本高昂、分离困难或环境毒性等挑战。因此，开发一种高效、易回收且环境友好的新型吸附材料，并深入理解其去除机理，已成为环境修复领域迫在眉睫的任务。近期，一项发表在《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》上的研究，为我们提供了一种集绿色改性、机理解释、数据驱动和循环利用于一体的创新解决方案。

为攻克这一难题，研究人员将目光投向了生物炭——一种由生物质热解产生的多孔碳材料。他们以稻壳为原料，首先制备了原始生物炭(RBC)，随后通过共沉淀法负载氧化铁纳米颗粒，赋予其磁性(MBC)，最终利用生物相容性良好的硬脂酸进行疏水性表面修饰，成功合成了硬脂酸改性磁性生物炭(SMBC)。研究系统评估了SMBC在不同条件下对聚苯乙烯微塑料的吸附性能，并通过扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析(BET)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对材料进行了全面表征。同时，研究创新性地引入了机器学习模型（包括梯度提升GB、决策树DT、随机森林RF和支持向量回归SVR），对吸附过程进行建模和预测，并利用SHAP分析解释关键影响因素。最后，研究探索了使用后的微塑料负载吸附剂(SMBC+PS)的末端管理路径，将其通过热解进行升级再造，并评估了其处理染料废水的能力。

结果与讨论部分主要发现如下：

材料表征证实成功改性

SEM图像显示，与RBC相比，MBC表面孔隙更多、裂缝更明显，表明成功负载了氧化铁纳米颗粒。经过硬脂酸改性后，SMBC的形貌进一步变化，具有独特的孔隙结构。吸附后，所有材料孔隙中均观察到球形PS颗粒，表明孔隙填充是关键的吸附机制之一。BET分析表明SMBC的比表面积(78 m²/g)虽低于RBC和MBC，但其具有双峰孔径分布，保留了可及的介孔和传输孔。水接触角测试显示，SMBC的接触角高达138°，表明硬脂酸接枝使其表面具有超疏水性。XRD和FTIR分析进一步证实了磁性氧化铁的成功负载以及硬脂酸改性引入的脂肪族C-H结构域。

SMBC展现优异吸附性能与可重用性

吸附剂性能评估表明，在优化条件下（投加量1.5 g/L），SMBC对PS的去除率最高可达94%，显著优于RBC和MBC。尽管其比表面积较低，但增强的疏水性和可及的活性位点在微塑料吸附中起到了更关键的作用。吸附动力学符合准一级模型，表明过程以物理吸附为主，颗粒内扩散是主要的速率控制步骤。等温吸附数据最适合Sips模型，其异质性参数n≈1，表明吸附行为接近Langmuir单层吸附特征。在真实水样（雨水、自来水）中，SMBC保持了超过80%的去除率。经过五个循环使用后，其性能在第三周期后开始逐渐下降，但仍显示出良好的可重用性。

环境因素与吸附机理

溶液pH值显著影响吸附效率。当pH低于SMBC的零电荷点(pH_pzc≈8.56)时，SMBC表面带正电，与带负电的PS产生静电吸引，去除率高且稳定；在碱性条件下，两者均带负电，产生静电排斥，导致去除率下降。不同离子（如Na⁺, Cl^–, Mg²⁺, Ca²⁺）的存在会对吸附产生不同程度的影响，其中二价离子和碳酸根、硝酸根离子由于竞争吸附或改变表面电荷，抑制作用更明显。综合表征和实验结果，研究提出了PS在SMBC上吸附的多种机制：1）孔隙填充：SEM图像直接观察到PS颗粒进入孔隙；2）静电相互作用：pH依赖的吸附行为证实了这一点；3）疏水相互作用：超高的水接触角是主要驱动力；4）π-π堆积：PS的芳香环与生物炭的芳香结构之间可能存在的相互作用。

机器学习模型提供数据驱动的见解

研究利用约50个实验数据点，构建了基于五个输入参数（接触时间、pH、初始浓度、投加量、吸附剂类型）的机器学习模型，以预测PS去除率。在梯度提升(GB)、决策树(DT)、随机森林(RF)和支持向量回归(SVR)模型中，GB和DT表现最佳，预测R²分别达到约0.77和0.76。SHAP分析清晰地揭示了各因素的重要性排序：接触时间是最关键因素，其次是pH和吸附剂类型，而初始浓度和投加量的影响相对较小。这一排序与实验观察到的动力学趋势、pH依赖的静电作用以及SMBC独特的疏水修饰特性完全吻合，为工艺优化提供了明确的指导。

实现循环经济的“闭环”路径

为应对废弃吸附剂可能带来的二次污染风险，研究提出并验证了一条升级再造路径。将吸附了PS的SMBC在氮气氛围下于600℃热解2小时，得到的升级再造碳材料(UCM)对亚甲蓝染料展现了高达91%的去除效率，吸附容量达10.22 mg/g。这一过程不仅安全处置了微塑料负载的废物，还将其转化为有价值的水处理材料，体现了循环经济的原则。

结论与重要意义

本研究成功开发并系统评估了一种基于稻壳的硬脂酸改性磁性生物炭，用于高效去除水中的聚苯乙烯微塑料。该材料结合了磁性易于回收、硬脂酸改性增强疏水性以及生物炭本身多孔结构的优势，实现了高达94%的去除率，并在真实水体和多次循环使用中表现稳定。研究通过详尽的表征和实验，阐明了以疏水作用和孔隙填充为主导，静电作用为调节因子的多重吸附机制。创新性地引入可解释的机器学习模型，不仅准确预测了吸附性能，还量化了接触时间、pH和吸附剂类型等关键操作参数的影响，为工艺优化提供了数据驱动的见解。尤为突出的是，研究提出并实践了一条可持续的末端管理方案，将使用后的吸附剂热解转化为可再次用于染料去除的功能材料，实现了从“去除污染”到“变废为宝”的闭环，显著提升了技术的环境与经济可持续性。这项工作不仅为微塑料污染治理提供了一种高效、绿色、可循环的新型吸附剂解决方案，也为环境修复材料的理性设计与生命周期管理树立了集成实验机理与数据智能的典范。