球磨活化生物质活性炭吸附改性聚苯乙烯纳米塑料的机制研究

为解决水体中纳米塑料污染问题，研究人员通过球磨活化技术制备了高比表面积的木质素和锯屑活性炭（L-10和S-10），其BET表面积分别达1258 m2 g?1和1072 m2 g?1，对聚苯乙烯纳米颗粒（PSNPs）的吸附容量最高达70.08 mg g?1。研究揭示了静电和π-π相互作用主导的吸附机制，为低成本生物质吸附剂开发提供了新策略。

　　

塑料污染已成为全球性环境挑战，尤其是纳米级塑料颗粒（Nanoplastics）因其微小尺寸和持久性，对水生生态系统构成严重威胁。聚苯乙烯（Polystyrene, PS）作为最常见的塑料之一，其纳米颗粒（PSNPs）可通过食物链累积，影响生物健康。传统处理方法如过滤和絮凝存在能耗高、二次污染等问题，而吸附法因操作简单、成本低备受关注。然而，商用活性炭价格昂贵，亟需开发低成本、高效的生物质衍生吸附剂。

针对这一需求，瑞士GreenValue S.A.和西班牙Lacor Menaje Profesional S.L.的研究团队创新性地采用球磨活化技术，以木质素和锯屑为原料，FeCl₃为活化剂，制备了一系列高比表面积活性炭（Activated Carbons, ACs），并系统研究了其对PSNPs的吸附性能。这项研究成果发表在《Journal of Environmental Management》上，为纳米塑料治理提供了新材料和理论依据。

研究团队通过行星式球磨机（Pulverisette 7）对原料进行不同时长（0-30分钟）的机械活化，结合700°C热解和酸洗工艺制备ACs。采用N₂吸附-脱附（BET法）、FTIR光谱和SEM等技术表征材料特性，通过动力学和等温吸附实验评估PSNPs去除效率，并结合zeta电位分析阐明吸附机制。

3.1 材料特性与球磨时间优化

研究发现10分钟球磨处理的样品（L-10和S-10）具有最优孔隙结构，其微孔体积分别达0.505 cm³ g^?1和0.425 cm³ g^?1。SEM显示L-10呈现海绵状结构，而S-10为薄壁纤维状，这种形貌差异源于前体特性。值得注意的是，延长球磨时间会导致摩擦热引发过度脱水，反而降低孔隙率，如L-30的BET表面积骤降至677 m² g^?1。

3.3 吸附性能与机制

动力学研究表明，PSNPs在L-10上的吸附符合准二级模型（R²>0.975），2小时内即达平衡。等温吸附数据显示，L-10对PSNPs的最大吸附量达70.08 mg g^?1，显著高于多数文献报道的生物炭材料。FTIR证实吸附后1380 cm^?1处芳环振动峰增强，表明PSNPs的苯环与ACs表面存在π-π堆积作用。pH_PZC（零电荷点）测试进一步揭示：当介质pH>pH_PZC时，ACs表面带负电，与带正电的氨基修饰PSNPs（PSNPs-NH₂）产生强静电吸引，而对羧基修饰PSNPs（PSNPs-COOH）则表现为排斥。

4. 结论与展望

该研究成功开发出球磨活化生物质ACs的高效制备工艺，明确了10分钟为最佳活化时长。材料优异的吸附性能源于其高比表面积和表面化学特性的协同作用，其中静电相互作用和π-π堆积是主导机制。特别值得注意的是，ACs对PSNPs-NH₂的选择性吸附为功能化纳米塑料的定向去除提供了新思路。相比传统方法，该技术采用工业废弃物（木质素/锯屑）为原料，兼具经济性和环保价值，为实际水体纳米塑料治理提供了可行方案。未来研究可进一步优化活化参数，并探索ACs在复杂水体基质中的实际应用性能。