来自速生轻木和泡桐林的层次多孔且各向异性的生物炭，用于有效去除微塑料

微塑料污染治理中，通过优化巴沙木和保罗木热解制备多孔生物炭，其吸附聚苯乙烯（PS）能力达533.33 mg/g，再生30次后保持88.4%效率，并验证对真实塑料袋和茶包的广泛适用性，同时揭示分子吸附机制。

　　

王斌|吴明超|李泽宇|刘文静|张明辉

内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，中国呼和浩特 010018

摘要

微塑料（MPs）污染已成为一个严重的全球环境问题。生物炭作为一种有前景的可持续吸附剂，因其丰富的原材料来源、高产率和可回收性而受到关注，被用于去除微塑料。然而，目前仍存在一些局限性，包括吸附性能不佳和分子相互作用机制不明确。本研究通过控制快速生长的轻木和泡桐木材的热解过程，合成了具有层次多孔结构的生物炭，以解决这些问题。优化后的生物炭对聚苯乙烯（PS）的吸附能力达到了533.33 mg g^-1，这一效果得益于多种分子间的相互作用。值得注意的是，经过30次再生循环后，其吸附能力仍保持在初始值的88.4%以上。此外，该生物炭在多种水环境中均表现出良好的微塑料去除效果，无论是低浓度（1 mg L^-1）的微塑料还是实际塑料颗粒（如塑料袋和茶包）。这项工作不仅推动了可持续微塑料修复材料的合理设计，还阐明了分子层面的吸附机制，为微塑料的治理提供了实用解决方案，并为水处理设施的操作提供了指导。

引言

微塑料（MPs）作为一种新兴的持久性污染物，在海洋环境、淡水系统、土壤甚至大气中均被广泛检测到。由于其微小的颗粒尺寸、普遍的分布以及对降解的抵抗力，它们对生态系统和人类健康构成了潜在威胁[1]、[2]、[3]。据估计，每年有数万吨塑料废物通过河流进入海洋，其中微塑料的比例持续上升[4]。这些微塑料可通过食物链、生物摄入和物理化学作用引发生物体的炎症反应、代谢紊乱和基因毒性效应，而跨介质迁移可能危及饮用水安全[5]、[6]、[7]。此外，由于微塑料独特的物理化学性质，其在水处理过程中的去除难度大于传统悬浮固体或有机污染物。这主要是由于颗粒大小、密度、表面性质、化学惰性和形态多样性等因素的综合影响[8]。因此，开发高效、经济且可持续的微塑料修复技术已成为关键的研究课题。

目前，水中的微塑料去除方法主要包括生物方法、物理方法、化学方法和协同方法[9]。尽管这些方法显示出良好的去除效率，但仍存在一些关键局限性。例如，混凝-絮凝法高度依赖于微塑料的特性（如大小、形状、聚合物类型）和水体条件[10]。膜生物反应器（MBR）和反渗透（RO）受到高运行成本、高能耗和膜污染的制约[8]。高级氧化工艺（AOPs）大多仍处于实验室阶段，存在高运行成本和产生有毒副产物的问题[11]。生物降解过程本身缓慢且效率低下，不适合水处理厂的高通量需求[11]。相比之下，吸附法因其经济性、操作简便性、高效性和环保性而成为首选策略[12]。然而，这些高效吸附剂通常存在制备过程复杂、能耗高和再生性能差等缺点[13]、[14]、[15]。此外，吸附剂对不同类型微塑料的选择性差异较大，因此需要开发具有广泛适用性或定制特异性的材料。

生物炭是一种通过生物质热解产生的碳质材料，为环境修复提供了可持续且经济有效的解决方案。特别是木材，由于其由纤维素、半纤维素和木质素组成的三维网络结构，成为这些多孔碳材料的理想前体。通过优化热解参数，可以精确调控生物炭的孔结构、表面官能团和疏水性，从而增强其对微塑料的吸附能力。尽管木材具有潜力，但目前对其多孔结构在微塑料吸附方面的系统利用仍不足。此外，关于生物炭去除微塑料的研究往往集中在特定生物质类型或热解条件上，缺乏对不同木材种类内在结构和化学性质如何协同优化的系统研究，以最大化吸附效果。因此，研究的目标应该是展示如何通过优化特定木材来源的生物炭来实现更优且可调的吸附性能，从而克服现有吸附剂的局限性。

基于上述分析，本研究制备了来自轻木和泡桐木材的生物炭，并在不同的热解温度下对其对三种典型微塑料（聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚酰胺（PA）的吸附性能进行了系统研究。选择轻木和泡桐木材是因为它们生长速度快且具有更优的层次多孔结构。同时，使用整体木材便于吸附剂的回收。此外，还进行了循环再生测试和实际水体的动态吸附实验，以评估其实际应用性。最后，使用Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）和扩展Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论深入分析了吸附剂与微塑料之间的相互作用力。

部分内容摘录

生物炭的制备

轻木和泡桐木材被切割成标准尺寸的块状（10 mm×10 mm×20 mm）。热解前，样品在100 °C的热水中浸泡2小时以去除可溶性有机物并提高结构稳定性。随后，在40 °C下干燥以保持质量恒定，然后在连续氮气氛围中分别在300 °C、500 °C和700 °C下热解2小时。氮气的流速为80 ml min^-1，加热速率为10 °C min^-1

样品和微塑料的表征

天然轻木和泡桐木材具有丰富的孔结构，包括导管、木纤维和木射线。轻木生物炭（BC-300、BC-500和BC-700）和泡桐生物炭（PC-300、PC-500和PC-700）保留了这些微米级的天然结构以及各向异性结构（图S1和S2）。随着热解温度从300 °C升高到700 °C，两种生物炭的N₂吸附能力逐渐增加，超过了未热解木材的吸附能力（图S3）。

结论

本研究通过优化的热解工艺制备了来自快速生长轻木和泡桐木材的层次多孔生物炭，改善了其孔结构和表面化学性质，从而有效去除代表性微塑料（PE、PS、PA）。吸附剂的用量和微塑料颗粒大小显著影响吸附性能。微塑料的吸附过程是一个受物理化学协同作用控制的异质表面吸附过程。扩散过程分为两个阶段：

CRediT作者贡献声明

吴明超：方法学研究。李泽宇：软件开发。王斌：初稿撰写与实验研究。刘文静：审稿与编辑，指导工作。张明辉：指导工作

注释

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了内蒙古自治区自然科学基金（编号：2025MS03053）的支持。