《Chemosphere》：Modified waste tyre derived carbon black as an adsorbent for water pollution control: A systematic review
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废轮胎衍生碳黑作为可持续吸附剂在废水处理中的应用研究，系统回顾11篇文献，分析前处理工艺、物理化学改性技术、目标污染物及吸附机制，发现表面工程通过调控电荷、孔结构和官能团可提升吸附容量、选择性和再生性，整合动力学、等温模型和热力学数据建立性能关系，讨论环境风险与低影响改性策略，提出循环经济框架下的资源回收方案。
Nurul Balqis Mohamed | Mohamed Hizam Mohamed Noor | Ya Mohammad Nazir Syah Ismail | Norzita Ngadi
马来西亚理工大学化学与能源工程学院化学工程系，81310，柔佛州，马来西亚
摘要
随着废弃轮胎产量的不断增加，这既带来了环境负担，也为通过增值应用实现资源回收提供了机会。其中，从废弃轮胎中提取的炭黑（CB）作为一种可持续的废水处理吸附剂，越来越受到关注。在这篇综述中，我们对相关文献进行了系统的筛选，最终选择了11篇符合预设纳入标准的同行评审研究。这些研究从前驱体处理路线、物理化学改性技术、目标吸附物、吸附机制和性能指标等方面进行了分析。对比评估表明，通过调节表面电荷、孔结构和官能团分布，目标表面工程能够提高吸附容量、选择性和可重复使用性。本文整合了吸附动力学、等温行为、热力学趋势和再生性能，以建立不同污染物类别下的结构-性能关系。同时，也批判性地讨论了环境和操作方面的限制因素，包括二次污染风险、化学处理问题以及废弃原料的变异性，并介绍了新兴的低影响和可持续改性方法。通过将吸附性能与环境相关性和循环经济理念相结合，本文突显了从废弃轮胎中提取的炭黑作为多功能吸附剂的潜力，并指出了未来发展和实际应用中的关键研究空白。
引言
水是人类社会历史进程中最重要的资源之一。然而，近年来，水污染已成为一个全球关注的环境问题，尤其是由于各种污染物进入水系统（Thongsamer等人，2023年）。此外，工业化和人类活动的发展产生了大量有害废物，可能导致水质恶化（Blinová和Sirotiak，2021年）。水中含有多种污染物，包括传统污染物和新兴污染物，如染料、重金属、农药、除草剂、抗生素、个人护理产品以及微塑料（Yadav等人，2021年）。因此，科学家们致力于开发高效且有效的可持续水资源管理方案，以应对水资源短缺和严重污染的问题。
近年来，许多技术被用于废水处理研究。然而，科学家们仍然专注于寻找快速、有效且经济的方法来降低特定化学过程带来的风险（Tony和Mansour，2020年）。尽管所有处理方法在某些条件下都可能适用，但由于吸附方法具有选择性、易于使用和可重复使用等优点，它正逐渐受到比传统方法（如过滤、反渗透、混凝、离子交换、氧化、电化学和化学沉淀）更多的关注（Chakraborty等人，2022年；Tayeb等人，2020年）。沸石、金属有机框架、活性炭（AC）、木炭、碳纳米管、石墨烯、聚合物纳米复合材料、氧化铝、粘土、藻类和农业废弃物等都是常用的去除水污染物的吸附材料（Sophia A.和Lima，2018年）。
近年来，作为废弃轮胎热解副产物的炭黑（CB）因其高表面积、化学稳定性和表面功能化的潜力而成为一种有前景的吸附剂。将废弃轮胎升级为CB有助于解决轮胎处理相关的环境问题，并通过将废物转化为有价值的资源来支持循环经济的原则。然而，CB也存在一些局限性，如孔隙率低和表面功能有限，这限制了其对多种污染物的吸附效率（Mohamed等人，2021年，2024年）。从废弃轮胎生产CB的过程如图1所示，包括在无氧环境中进行的热化学分解——热解。在热解过程中，废弃轮胎在高温下分解成气体、液体和固体部分。所得的固体残渣（即回收的CB）随后经过纯化和改性以提升其吸附能力（Afshin等人，2021年；Jiang等人，2023年）。
最近的研究集中在通过酸/碱处理、表面活性剂功能化、纳米粒子掺杂和复合材料集成等方式来改性CB，以改善其物理化学性质。这些改性显著提高了对污染物的亲和力、吸附容量和再生潜力。尽管取得了这些进展，但各种改性策略的协同效应仍需进一步研究（Hardyanti等人，2023年；Vargues等人，2021年）。虽然个别研究报道了特定改性的有效性，但不同方法对吸附机制的影响及其在废水处理中的可扩展性仍缺乏系统比较。
尽管基于碳的吸附剂（如活性炭和生物炭）在环境修复领域得到了广泛研究，但从废弃轮胎中提取的CB作为主要吸附材料却相对较少受到关注（Muttil等人，2023年）。现有的综述通常将CB归类为废弃碳材料，或仅关注其一般吸附性能，而没有系统地探讨其独特的形成途径、富含缺陷的结构、表面化学性质和改性多样性。此外，将CB改性策略与吸附机制、再生行为和环境可持续性联系起来的综合评估也较为缺乏（Muttil等人，2023年；Shah等人，2006年）。
在此背景下，本文对用于废水处理的改性CB的最新进展进行了全面而系统的综述，重点介绍了活化、表面活性剂功能化、杂原子和金属掺杂以及复合材料形成如何调整CB的物理化学性质，并控制染料、重金属、铵离子（NH4+）、酚类和氟化物的去除效果。与以往的综述不同，本文结合了吸附动力学、热力学和再生研究，系统地探讨了二次污染风险、实际废水应用前景和循环经济潜力。通过将CB视为一种来自问题废弃物的可持续吸附平台，本文为环境污染控制和资源回收提供了新的见解。
方法论
本系统综述于2025年1月进行，遵循《系统综述和荟萃分析的优先报告项目》（PRISMA）指南，重点评估了从废弃轮胎中提取的基于CB的吸附剂的相关研究。在2016年至2024年间，我们在包括Web of Science（WoS）和Scopus在内的电子信息数据库中系统地检索了相关文献。搜索关键词为：“carbon black” AND “adsorb” AND (water OR wastewater)。
首先，排除了重复的论文...
结果
通过上述两个数据库的系统搜索，共发现了149篇记录（如图2所示）。其中116篇被排除，因为它们是综述文章、重复文献、无法获取或未使用CB作为吸附剂。在审阅了33篇记录的全文后，又有22篇被排除，因为它们的CB来源并非来自废弃轮胎且未报道任何吸附相关研究。最终，根据纳入和排除标准，有11篇记录被纳入研究范围。
基于CB的吸附剂的性质
通过热解从废弃轮胎中回收的CB因其优异的物理化学性质和环境相关性而受到广泛关注。热解CB的特性受热解参数（如温度、停留时间、加热速率）和后处理过程（如化学活化）的显著影响。在原始状态下，CB通常呈现致密、团聚的形态，孔隙率较低，这主要是由于降解不完全所致...
结论
当前的系统综述表明，通过针对性的改性和掺杂策略，可以从废弃轮胎热解中获得的CB转化为高效的废水处理吸附剂。引入SDBS可以引入磺酸基团，增强负表面电荷，从而改善与阳离子（如NH4+）的静电相互作用。同样，铝灰和碳化物渣的掺杂丰富了CB表面的Al和Ca元素...
CRediT作者贡献声明
Nurul Balqis Mohamed：撰写——初稿撰写、数据整理、概念构思。Mohamed Hizam Mohamed Noor：撰写——审稿与编辑。Ya Mohammad Nazir Syah Ismail：撰写——审稿与编辑。Norzita Ngadi：指导。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文时，作者使用了Grammarly、Quillbot和ChatGPT等工具来提高手稿的清晰度、连贯性和语法准确性。使用这些工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
资助
本工作得到了马来西亚理工大学的基础研究资助（项目编号：Vot no. Q.J130000.3809.22H62）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
