综述：纺织废水中的微塑料：去除与碳化技术综述

《C》：Textile Microplastics in Wastewater: A Critical Review of Removal and Carbonization Technologies Azam Ali and Muhammad Zaman Khan

本文全面评述了纺织业微纳塑料（MPs/NPs）的来源、环境迁移、主流去除技术（如絮凝、膜过滤、生物降解）及创新的碳化（如热解、水热碳化）增值策略，提出从污染源头控制、末端强化去除到废物资源化（将MPs转化为高吸附性多孔碳材料）的闭环治理框架，为纺织微塑料污染控制与水资源可持续管理提供了兼具减污与增效的双重效益新思路。

　　

引言

水是生命之源，但随着人口增长和工业化进程，水体正遭受日益严重的污染。合成纺织品的快速增长加剧了微塑料和纳米塑料（MPs/NPs）通过工业废水和家庭洗涤向水环境的释放。纺织来源的微塑料，尤其是聚酯纤维和聚合物涂层碎片，构成了废水系统中塑料污染的重要组成部分。尽管废水处理厂能够去除大部分微塑料，但仍有相当数量累积在污水污泥中，引发了关于其长期环境持久性和二次释放途径的担忧。本文旨在系统回顾纺织基微纳塑料的全链条问题，从其来源、释放机制到当前的处理技术，并重点探讨一种新兴的循环策略：将回收的微塑料通过碳化技术转化为具有附加值的多孔碳材料。

纺织基微纳塑料的分类与来源

微塑料通常按其尺寸（小于5毫米）分类，纳米塑料则指尺寸小于1微米的塑料颗粒。纺织衍生的微塑料具有其独特性，其来源、形态和表面化学性质主要受纺织聚合物类型、纱线/织物结构及后整理化学支配。本综述采用以纺织品为中心的（textile-centric）分类法，按物理形态（纤维、原纤、薄膜/薄片、聚合物微珠及涂层碎片）、来源（制造损耗、工业整理、家庭洗涤、干燥及纺织品处置）和表面化学（原生聚合物、化学处理或整理涂层）对颗粒进行分类，这比仅凭尺寸分类更能预测其环境归宿、处理响应和毒理学行为。

微塑料的产生与释放

家庭和工业洗涤是合成纺织碎片进入废水的主要直接途径。纤维释放主要取决于织物结构、聚合物化学、机械老化以及洗涤条件。研究表明，单次洗涤每件衣物可释放数百至数千根纤维，机械老化的聚酯衣物比新衣物释放量显著更高。除了纤维本身，纺织品上的聚合物整理涂层（如聚氨酯、聚乙烯、氟碳塑料、蜜胺等）也会在洗涤、使用和降解过程中碎裂，释放出微塑料颗粒。例如，聚氨酯涂层在光老化约360小时后，产生的纳米颗粒数量可达约2.70 × 10¹¹NPs/g。这些涂层来源的微塑料可能携带功能性添加剂或吸附环境污染物，成为有害化学物质的载体。

纺织废水中微纳塑料的去除技术

常规物理化学方法

1. 1.
   沉降：依靠重力沉降，在初级和二级处理阶段可去除57-64%的悬浮微塑料。其效率受pH值影响显著，因为pH变化会影响颗粒电荷和混凝剂形态。
2. 2.
   混凝与絮凝：通过向水中投加铝盐、铁盐等混凝剂，使其水解产物吸附在带负电的微塑料表面，中和电荷，促进颗粒聚集形成絮体沉降。铝盐通常表现优于铁盐，与阴离子聚丙烯酰胺（PAM）联用可进一步提升效果。电混凝（EC）是一种更先进的方法，通过电解产生金属离子作为混凝剂，同时产生的氢气气泡有助于絮体上浮分离，据报道对300微米聚乙烯微珠的去除效率可超过99%。
3. 3.
   浮选/密度分离：通过产生气泡使低密度塑料颗粒附着并上浮至水面加以去除。溶解空气浮选（DAF）是有效但运行成本较高的方法。在实验室中，常用盐水溶液（如NaCl、ZnCl₂）进行密度分离来从样品中提取微塑料。

膜过滤技术

膜技术通过物理截留作用高效去除微塑料，是深度处理的关键。

• •
  微滤（MF）：孔径约0.1-10微米，可有效截留较大微塑料。陶瓷微滤膜因稳定性高、易再生而受到关注。
• •
  超滤（UF）：孔径约1-100纳米，可去除更小的微塑料和纳米塑料。复合膜（如还原氧化石墨烯/聚丙烯腈，rGO/PAN）显示出更好的抗污染性和通量。
• •
  纳滤（NF）与反渗透（RO）：具有更致密的分离层，可高效去除离子和小分子有机物，对微塑料也有很高截留率，但并非绝对屏障，膜缺陷或污染可能导致少量微塑料穿透。
• •
  膜生物反应器（MBR）：结合了生物处理和膜过滤，对微塑料的去除效率通常高于传统活性污泥法，可达99%以上，出水水质优良。

生物与高级氧化技术

1. 1.
   生物降解：利用细菌（如Ideonella sakaiensis产生的PETase、MHETase酶）或真菌的酶解作用，将塑料聚合物链断裂并最终矿化为CO₂和H₂O。但自然条件下速率较慢，是当前研究热点。
2. 2.
   光降解与光催化氧化：利用紫外光（如UVC）直接或联合氧化剂（如H₂O₂）破坏塑料分子链。基于半导体（如TiO₂, ZnO）的光催化技术，能在光激发下产生活性氧物种，攻击并降解微塑料。研究表明，TiO₂/ZnO核壳催化剂在氧化剂存在下，可在紫外光照射下实现多种微塑料的完全质量损失。
3. 3.
   电化学氧化：通过电极反应产生强氧化性物质（如羟基自由基）来降解污染物。电芬顿（EF）工艺利用Fe²⁺催化H₂O₂产生羟基自由基，可有效降解聚氯乙烯等微塑料。

2/ZnO光催化剂对不同微塑料的降解情况。">

吸附与磁提取

• •
  吸附：利用活性炭、石墨烯氧化物等吸附剂通过静电作用、π-π相互作用等将微塑料从水中移除。天然吸附剂如香蒲纤维也显示出潜力。吸附常作为高级处理前的预处理。
• •
  磁提取：用疏水化改性的磁性纳米颗粒（如Fe₃O₄）吸附微塑料，然后通过外磁场将其分离。此法对细小塑料颗粒（<10微米）的去除具有优势，但纳米颗粒的回收和潜在二次污染是挑战。

微塑料的碳化增值：变废为宝的新策略

将收集到的纺织微塑料转化为功能性碳材料，是实现塑料废物资源化和废水处理增效的“闭环”策略。碳化后的微塑料具有高比表面积和丰富的孔隙结构，可作为优异的吸附剂，用于去除染料、重金属和有机污染物，反过来又可应用于废水处理。

主要碳化技术

1. 1.
   缺氧热解碳化：在惰性气氛中高温加热塑料。含氧塑料可直接碳化，而聚乙烯、聚丙烯等不含氧的“非成炭”塑料需要预处理或在催化剂、硫辅助、高压等特殊条件下促进成炭。该过程将塑料转化为富含碳的固体残渣（炭），并可进一步通过化学（KOH, H₃PO₄）或物理（CO₂, 水蒸气）活化来大幅提高其孔隙率和比表面积。

1. 2.
   水热碳化（HTC）：在高温（100-250°C）、高压的水环境中处理塑料废物。亚临界水能促进聚合物键断裂和解聚。此技术适用于多种废物，能将塑料微纤维转化为碳质材料。研究表明，在Fe-Ni双金属催化剂作用下，涤纶/棉混纺微纤维可在温和条件下转化为碳纳米管。水热碳化温度对最终碳材料的性质有决定性影响。

1. 3.
   微波辅助碳化：利用微波辐射对吸波材料进行快速、均匀的内部加热，高效热解塑料。与传统外加热方式相比，能耗低、升温快、热效率高。结合催化剂（如铁基催化剂），可将废塑料转化为碳纳米球、碳纳米管等高价值碳材料。
2. 4.
   激光碳化：一种新兴的快速、图案化加工技术，利用激光诱导聚合物局部热解生成导电碳材料。适用于聚酰亚胺、芳纶等特定工程塑料，在柔性电子领域有应用前景，但对多数通用塑料响应较差。

碳化反应机制

微塑料的碳化主要涉及两条耦合路径：热解聚/挥发分逸出和热诱导交联/芳构化。含氧聚合物易“成炭”，经历环化、芳构化和交联，形成多孔无定形碳骨架。聚烯烃等“非成炭”塑料在简单热解下主要裂解为挥发分，需特殊条件促使其形成碳中间体。碳化后期，随着温度升高，发生芳构化、交联和石墨微晶的生长，释放H₂、CH₄、CO、CO₂等气体。最终产物的结构（无定形碳、部分石墨化碳、活性多孔碳）取决于温度、升温速率、停留时间及反应环境。

结论与展望

纺织微塑料污染是一个复杂的全球性环境问题。单一的末端治理技术难以根治，需采取综合策略。本文提出的框架整合了源头控制（改进织物设计与整理工艺）、过程优化（强化洗涤废水预处理）和末端治理与资源化。其中，将去除的微塑料通过碳化技术转化为高性能吸附材料，并回用于水处理过程，代表了一种创新的循环经济模式，不仅能减轻塑料污染负荷，还能提升水处理系统的污染物去除能力，实现环境效益与资源效益的双赢。未来研究需深入探索不同碳化技术的工程化应用、碳材料性能优化及其在实际废水处理中的长期效能与安全性，以推动该策略从实验室走向规模化应用。