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高效磁性微塑料吸附材料MSDB的制备及其多场景应用研究。通过K?FeO?辅助的800℃活化-磁化共热解工艺，将污泥转化为具有Fe?O?/ZVI复合相的 hierarchical多孔生物炭，实现PSMPs（0.1-1μm）的440.24 mg·g?1吸附容量，较传统方法提升超60倍。材料在pH3-11、共存离子及抗生素干扰下仍保持＞85%吸附效率，经5次循环后吸附容量保留率75.5%，磁分离饱和磁化强度达19.77 emu·g?1。首次将单试剂K?FeO?同步实现活化与磁性功能化，突破传统分步处理工艺局限，为污泥资源化与微塑料治理提供创新解决方案。
李芙宇|李子伟|王翠萍|孙洪文|唐学娇
教育部污染过程与环境标准重点实验室，天津环境修复与污染控制重点实验室，天津环境诊断与污染修复工程技术中心，中国天津市300071
摘要
微塑料/纳米塑料（MNPs）在水生环境中的持续积累亟需开发高效的修复技术。传统的生物炭吸附剂面临诸如吸附动力学缓慢和在复杂介质中适应性差等挑战。本文采用一种磁污泥衍生生物炭（MSDB），通过800°C下的K?FeO?辅助活化-磁化热解工艺合成，该工艺中K?FeO?作为单一添加剂实现了Fe?O?/ZVI的原位形成，并促进了孔隙结构的发育，最终获得比表面积为123.58 m2·g?1的高孔隙率生物炭。MSDB在去除聚苯乙烯微塑料（PSMPs，粒径0.1–1 μm）方面表现出优异性能，其最大吸附容量（Q?）可达440.24 mg·g?1，且吸附动力学快速，证明了其对环境中常见多分散微塑料颗粒的有效性。多模式表征揭示了其吸附机制包括物理捕获、π-π堆叠、疏水相互作用及弱界面电子重分布。MSDB在宽pH范围（3–11）及共存离子、有机物和抗生素（如磺胺甲噁唑，SMX）存在下仍保持稳定的去除效率。值得注意的是，SMX的存在增强了PSMPs的捕获效果。该材料在真实水样中的去除效果也非常好（自来水：99.17%；湖水：89.22%；海水：85.78%）。此外，MSDB具有优异的可回收性，经过五次循环使用后仍能保留75.5%的初始吸附能力，并因其持续的饱和磁化强度（19.77 emu·g?1）而便于磁分离。这项工作为将污泥转化为高效、可磁分离的微塑料吸附剂提供了可持续策略，符合循环经济理念。未来研究应关注大规模连续流应用和试点规模测试，以验证其在污水处理中的实际效果。
引言
塑料因其低成本、轻质和耐用性而在全球得到广泛应用。然而，微塑料/纳米塑料（MNPs）通过太阳辐射、风化和水力侵蚀等过程在生态系统中持续积累，广泛分布于海洋和淡水系统，甚至极地冰盖中[1]、[2]。例如，大西洋海洋中32–651 μm粒径的微塑料浓度在200 m以下深度平均为2200个颗粒·m?3[3]，而长江中游淡水湖泊表层水中的微塑料浓度可达4×103颗粒·m?3[4]。
除了生态毒性风险外，微塑料还通过食物链传递危害人体健康，引发炎症反应、细胞损伤，甚至穿透血脑屏障[5]。更严重的是，它们的疏水表面和高比表面积促进了重金属和有机污染物的吸附，形成了复合污染物，增强了有毒物质的迁移性和生物累积[6]。例如，聚苯乙烯微塑料（PSMPs）可吸附Pb2?，吸附容量高达2.13 mg·g?1[7]，同时加剧了微塑料的毒性和铅的扩散。每年约有1100万吨塑料垃圾进入海洋[8]，鉴于聚苯乙烯在包装和消费品中的普遍使用，它是水生微塑料污染中常见的聚合物之一，其衍生的微塑料颗粒在淡水和海洋系统中均有广泛报道，因此亟需技术创新以实现有效修复。
目前的微塑料去除技术主要包括物理过滤（如纳滤和超滤）和化学絮凝。纳滤虽能捕获纳米级颗粒，但存在膜污染敏感性和高昂运行成本的问题[9]。使用铝盐或铁盐的化学絮凝/沉淀可促进微塑料聚集和沉淀，但去除效率受絮凝剂类型/剂量、混合条件和水质影响显著。这两种方法对微塑料的选择性较差，且易受天然有机物（NOM）或胶体颗粒的干扰，从而降低净化效果[10]。
吸附作为一种有前景的替代方法，因其操作简便、选择性强且环境友好。基于生物炭的吸附剂利用高比表面积和丰富的官能团，通过静电作用、π-π堆叠和氢键与微塑料结合[11]、[12]，避免二次化学污染。然而，吸附动力学缓慢、在复杂介质中的适应性差以及稳定性限制了其应用。相关研究显示其性能有限。Kim等人报告称，从核桃壳和铁矿尾矿制备的磁性生物炭对PSMPs的吸附容量仅为0.77–6.75 mg·g?1，且吸附动力学缓慢[13]；Ganie等人发现，在碱性条件或碳酸氢盐干扰下，生物炭的微塑料去除率低于50%[14]。
含有过渡金属或氧化物的磁性生物炭通过增强磁分离性能、提高活性位点密度和表面反应性而具有更好的应用前景[15]。例如，Li等人使用丝状藻类衍生的磁性生物炭（Fe(NO?)?·9H?O修饰）实现了21.8%的PSMPs吸附率，并在5分钟内回收了90%以上的吸附剂[15]；Parashar等人使用农业废弃物衍生的磁性复合材料（FeCl?·6H?O修饰）实现了98%的微塑料去除率，且该材料可重复使用四次[16]。尽管有这些进展，但与实际应用需求相比，现有研究仍存在明显不足。首先，磁性组分的稳定性不足导致金属渗出或氧化，从而快速降低性能。例如，上述藻类和农业生物炭在4–5次循环后的容量保留率分别仅为35.3%和52.7%[15]、[16]。其次，共污染物存在下的竞争吸附机制导致理想条件与实际条件之间的性能差距。海水中高浓度的NaCl通过电荷屏蔽作用降低微塑料去除效率[17]，而腐殖酸（HA）通过活性位点竞争和表面复合阻碍吸附[18]。此外，抗生素-微塑料复合物可能占据吸附界面，改变质量传递动力学，但目前对其机制的理解尚不充分。最重要的是，以往研究主要使用单分散微塑料颗粒，无法捕捉实际环境中广泛存在的多分散微塑料（尺寸范围从纳米到微米）。因此，亟需开发能够在宽尺寸范围内有效去除微塑料、在异质水系统中保持良好可回收性的吸附剂，以区分未来技术与传统方法。
本研究通过800°C热解和K?FeO?修饰，利用污水处理厂残渣制备了一种新型磁污泥衍生生物炭（MSDB）。与需要单独化学活化（如KOH）和后续磁前驱体浸渍（如FeCl?）的方法不同，选择K?FeO?的科学依据在于其双功能特性：它同时提供碱性钾物种（如K?O）、铁源和氧化环境，引导后续的碳热还原过程。本研究优化了热解温度，800°C条件下获得了最佳的PSMPs去除效果，实现了孔隙发育、碳石墨化和Fe?O?/ZVI相形成的良好平衡，因此被选为MSDB的合成温度。预碳化和脱灰后，K?FeO?在单一高温处理过程中实现了Fe?O?/Fe?的原位形成，避免了传统磁性生物炭制备中所需的单独KOH活化和后续浸渍/共沉淀步骤。据我们所知，这是首次将这种特定合成方法用于工程化制备专门用于捕获多分散微塑料的生物炭，超越了单分散模型系统，解决了实际环境问题。通过精确调控Fe?O?/零价铁（ZVI）的负载，我们构建了多层次吸附结构，包括用于物理捕获的表层粗糙度和颗粒间空隙，以及用于界面作用的石墨/铁含量区域。所得吸附剂结合了孔隙率、磁碳稳定性和分离性能。为验证其广泛应用性，我们系统评估了其对多分散PSMPs（0.1–1 μm）的吸附效果，模拟了实际环境条件。研究全面探讨了水化学因素（pH、共存离子、腐殖酸和抗生素）的影响，通过动力学-热力学建模和多模式表征阐明了吸附机制，并通过可回收性和实际水样测试验证了材料的工程潜力。这项工作提出了一种兼顾高效性和经济可持续性的污泥增值和水体净化双目标策略。
化学试剂
聚苯乙烯微塑料（PSMPs，粒径0.1–1 μm）购自中国天津的BaseLine ChromTech公司。腐殖酸（HA）来自中国上海的Aladdin生化技术有限公司。其他所有试剂（NaHCO?、NaCl、Na?SO?、KI）均为Merck Sigma提供的分析级试剂。
磁污泥衍生生物炭（MSDB）的合成
从天津污水处理厂获得的脱水污泥经空气干燥、粉碎后通过60目筛网筛选。前驱体在N?气氛下于800°C进行热解，生成磁污泥衍生生物炭
磁污泥衍生生物炭（MSDB）与聚苯乙烯微塑料
为了实现高效的微塑料/纳米塑料吸附，采用K?FeO?辅助活化-磁化热解工艺制备了磁污泥衍生生物炭（MSDB）。与传统KOH活化方法相比，K?FeO?作为双功能活化剂可同时生成碱性钾物种（K?O/K?CO?）和Fe?O?（方程式（2）。
结论
本研究成功开发了一种经K?FeO?改性的磁污泥衍生生物炭（MSDB），作为高效的聚苯乙烯微塑料（PSMPs）去除剂。该合成策略利用K?FeO?的同步活化和磁化作用，制备出了比表面积高（123.58 m2·g?1）、具有层次化孔隙结构以及石墨碳、Fe?O?和零价铁（ZVI）稳定复合体的材料。MSDB在Langmuir模型拟合下的吸附性能优异
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了云南省科技项目（西南联合研究生院，项目编号202402AO370002）和教育部中央高校基本科研业务费及“111计划”（项目编号T2017002）的支持。
