综述：基于纤维素珠复合材料的废水处理吸附剂：文献计量学与综合性综述

《Journal of Immunological Methods》：Cellulose beads composite-based sorbent for wastewater treatment: A bibliometric and comprehensive review

本文通过文献计量分析与综合技术评估，系统梳理了纤维素珠基吸附剂的研究进展，涵盖生物质原料、提取策略、珠制备及功能化方法。研究证实纤维素珠复合物在染料、药物和重金属吸附中表现出高容量和可重复使用特性，但标准化测试、实际应用验证及规模化生产仍是主要挑战，需进一步解决以促进工业化应用。

　　

安德里·安塔·卡卡里布（Andriy Anta Kacaribu）| 尤利安尼·艾莎（Yuliani Aisyah）| 费布里亚尼（Febriani）| 穆罕默德·里夫基·福赞·达马尼克（Muhammad Rifki Fauzan Damanik）| 达尔文（Darwin）

印度尼西亚班达亚齐Syiah Kuala大学研究生院农业科学博士项目，邮编23111

摘要

随着工业扩张和化学品的密集使用，废水复杂性迅速增加，这迫切需要高效、低成本的处理技术。本综述结合了2000年至2025年的文献计量分析和技术评估，以明确基于纤维素珠的吸附剂的研究进展。主要议题包括生物质原料、纤维素提取策略、珠子制备方法以及使用磁性纳米颗粒、石墨烯衍生物、碳纳米管（CNTs）、聚合物和金属氧化物的功能化方法。这些工程化的珠子对染料、药物和重金属具有较高的吸附能力，并且具有稳定的重复使用性（>5–10次循环）。本文总结了吸附机制和结构-功能关系，以指导未来的设计。虽然纤维素珠复合材料作为符合可持续发展目标（SDG）6的可持续吸附剂展现出巨大潜力，但在标准化测试方案、验证实际废水中的性能以及扩大珠子生产规模方面仍存在挑战。解决这些差距对于推动工业应用至关重要。

引言

工业活动的迅速扩张、大规模的城市化和全球人口增长导致废水量显著增加，其成分也变得越来越复杂[1]、[2]、[3]。来自纺织、冶金、农业和制药等行业的废水中常常含有有害污染物，如重金属、合成染料和新兴污染物（药物化合物），这些污染物对人类健康构成严重威胁，并危及水生生态系统的可持续性[4]、[5]、[6]、[7]。因此，迫切需要有效、经济且环境可持续的废水处理技术，以符合可持续发展目标（SDGs），特别是旨在实现清洁水和卫生设施普及的SDG 6[8]、[9]、[10]。 基于生物质的吸附剂作为废水修复的绿色替代方案受到了广泛关注[11]、[12]、[13]。在各种生物基材料中，纤维素因其丰富性、可生物降解性、生物相容性以及丰富的羟基而成为有前景的吸附材料，这些羟基允许通过化学改性来提升吸附性能[14]、[15]。传统上，纤维素被应用于粉末、薄膜、膜、水凝胶、微球和珠子等形式。多项研究报道了将纤维素薄膜与纳米颗粒[16]、[17]、[18]、壳聚糖[19]、[20]或氧化石墨烯（GO）[22]、[23]、[24]混合或结合使用，从而实现对特定污染物的选择性去除，同时保持结构完整性。尽管纯纤维素或改性纤维素复合材料对多种污染物（如染料[25]）具有显著的吸附能力，但仍存在机械脆弱性、吸附后分离困难以及重复使用性有限等问题。 尽管取得了这些进展，但在开发兼具高吸附能力、选择性、机械强度和易于从处理水中回收的纤维素基吸附剂方面仍存在显著差距。特别是传统的粉末或薄膜型纤维素吸附剂在可扩展性和工业应用方面存在局限性。最近，开发纤维素珠复合材料成为解决这些挑战的新策略[26]、[27]。通过将纤维素与功能性材料（如磁性纳米颗粒、氧化石墨烯、碳纳米管、壳聚糖或其他聚合物和金属氧化物）结合，这些珠子有望具备多种优势：高表面积、可控的孔隙率、均匀的粒径分布以及易于从水溶液中分离[27]、[28]。 除了成分可调性外，珠子的形态在其他基于纤维素的形式中还提供了独特的流体动力学和操作优势。与可能导致压降增大、污泥形成以及后处理固液分离困难的粉末吸附剂不同，珠状吸附剂天然适合固定床或填充柱操作，因为球形颗粒具有更好的机械强度和耐磨性，从而实现连续流处理并控制床层渗透性[29]、[30]。与容易发生污染（例如孔堵塞、结块和有机吸附）的膜相比，珠子具有更高的体积吸附能力和更均匀的质量传递[31]、[32]。鉴于这些过程相关性，基于珠子的吸附剂在动态固定床条件下得到了广泛评估，实际性能指标包括突破性和耗尽行为[30]、[33]、[34]。这些过程层面的优势使纤维素珠复合材料不仅成为高性能吸附剂，也成为与可扩展废水处理系统兼容的实际工程单元[29]、[33]。此外，复合技术还赋予了多功能特性，包括通过交联、接枝和/或酯化等先进化学改性技术实现易于回收的磁性响应性、提高的化学稳定性和对特定污染物的更强亲和力[35]、[36]。 然而，尽管全球研究进展迅速，纤维素珠复合材料的开发和应用仍面临若干关键挑战。这些挑战包括从多种生物质来源中高效分离纤维素、优化复合珠子的合成技术，以及将实验室规模的研究成果转化为工业规模的应用[37]。此外，当地生物质资源的利用尚未得到充分探索，特别是在印度尼西亚，该国拥有丰富的农业和种植园产业产生的木质纤维素废弃物（如棕榈油加工残渣）。文献计量分析是绘制全球研究格局、识别出版趋势、科学合作网络和持续研究差距的重要工具[38]。此类分析还有助于明确当前研究对可持续发展目标的贡献，并为未来的研究方向提供指导。 因此，本综述旨在全面分析基于纤维素珠复合材料的废水处理吸附技术。它涵盖了从各种生物质类型中提取纤维素的来源和方法、复合材料的合成和表征技术、对不同污染物的吸附机制、吸附剂的再生潜力以及工业规模应用的前景和挑战。尽管纤维素珠作为吸附材料受到了越来越多的关注，但其他基于纤维素的形态（如水凝胶和微球）也具有类似的制备方法和吸附机制。因此，本文简要讨论了这些系统的相关发现，以全面了解基于纤维素的废水处理吸附剂。此外，本文利用文献计量分析描绘了过去二十年（2000–2025年）的全球研究演变，识别了重要的研究主题，并强调了印度尼西亚研究的潜在贡献（该领域的研究相对不足）。希望本综述既能作为全面的科学参考，也能为开发更有效、可持续和具有全球竞争力的吸附技术提供战略基础。

方法论

本研究所需的文献计量数据来自Scopus数据库（https://www.scopus.com），获取时间为2025年10月21日。该数据库包含了2000年至2025年间发表的科学文章。下载的数据随后使用VOSviewer软件进行文献计量网络映射，并使用OriginLab软件进行处理和呈现出版物趋势图表。文献搜索使用了以下查询：TITLE-ABS-KEY

概述

纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，是废水处理中基于珠的吸附剂的基础前体。其化学结构是由β(1→4)-连接的D-葡萄糖单元组成的线性链，C2、C3和C6位点上带有羟基，形成了丰富的氢键网络，形成了半结晶微纤维，其中包含结晶和非晶区域（图7）。这种结构赋予了材料良好的机械强度和吸附性能。

吸附性能

吸附性能是评估纤维素珠复合材料能否从实验室验证真正应用于实际废水处理技术的关键指标。虽然纤维素珠提供了易于回收且结构稳定的支架，但几乎所有有意义的性能都源自围绕或渗透在珠子内部的工程化复合相。在过去十年中，研究人员系统地从……（原文此处内容不完整）

挑战

• 来自农业残渣、林业副产品或工业废弃物的纤维素在结晶度、纤维素含量、灰分/矿物含量以及木质素/半纤维素残留物方面存在差异。这些不一致性影响了珠子的机械稳定性、孔隙率、电荷密度和功能化效率。高纯度的纤维素虽然具有更好的可重复性，但成本更高且对环境负担更大。此外，许多“废弃物衍生”的纤维素产品缺乏严格的……（原文此处内容不完整）

结论

基于纤维素珠复合材料的吸附剂代表了废水处理的新兴和可持续平台，它们结合了可再生的纤维素骨架和可调的微观结构及多功能复合域。正如本综述总结的文献计量趋势所示，全球研究已从简单的纤维素结构迅速发展到工程化的珠状复合材料，这些复合材料可作为高效微反应器，实现选择性污染物捕获和高吸附能力。

CRediT作者贡献声明

安德里·安塔·卡卡里布（Andriy Anta Kacaribu）：撰写初稿、进行形式分析、数据整理、概念构思。 尤利安尼·艾莎（Yuliani Aisyah）：撰写、审稿和编辑、监督。 费布里亚尼（Febriani）： 穆罕默德·里夫基·福赞·达马尼克（Muhammad Rifki Fauzan Damanik）：撰写初稿、数据可视化、软件应用。 达尔文（Darwin）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢Syiah Kuala大学（USK）在USK领先研究计划——博士加速计划（PRUU-PD）下的支持，该计划由研究与服务研究所（LPPM-USK）协调。作者还感谢印度尼西亚高等教育、科学和技术部的LPDP教育捐赠基金，该基金隶属于EQUITY计划。