将废弃的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）升级改造为多功能、可重复使用的吸附剂，用于可持续的水净化

《Materials Research Bulletin》：Upcycling Waste Polyethylene Terephthalate into Versatile and Reusable Adsorbents for Sustainable Water Purification

本研究开发了一种可持续的塑料废物处理方法，通过将废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）热碳化制备多孔碳材料（C-PET），再经水热固定化杂多酸H5[PMo10V2O40]（PMoV）制备新型吸附剂PMoV@C-PET-X。优化后的PMoV@C-PET-30在温和条件下5分钟内完全吸附亚甲基蓝（MB），其吸附机制随浓度变化从化学吸附主导转为物理化学吸附协同。材料具有高环境稳定性、多孔石墨化结构及优异重复使用性，为同步解决塑料污染和水处理问题提供了可扩展的解决方案。

　　

郭慧|曾飞|张丹|徐文彪

吉林华宇大学材料科学与工程学院，中国吉林省吉林市132013

摘要

本研究开发了一种可持续的方法，通过将废弃的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）转化为高效的染料吸附剂，来解决塑料废物和水污染问题。通过对废弃PET进行热碳化处理，随后将杂多酸H₅[PMo₁₀V₂O₄₀]（PMoV）进行水热固定，制备了一系列新型的PMoV@C-PET-X材料。优化后的PMoV@C-PET-30在温和条件下，通过静电作用、π-π相互作用和η-π相互作用，在5分钟内实现了对亚甲蓝（MB）的完全吸附。综合表征证实了该材料具有多孔的石墨化碳结构以及均匀的活性位点分布。吸附机制从低浓度时的化学吸附为主转变为高浓度时的物理吸附与化学吸附相结合。该材料表现出优异的环境稳定性（能抵抗阳离子、阴离子和腐殖酸（HA）的侵蚀），具有广泛的染料去除能力（适用于阴离子/中性染料），并且具有显著的重复使用性。这项工作提出了一种创新的方法，将废弃塑料转化为有效的废水处理材料，同时解决了塑料污染和水污染问题，具有很强的可扩展性。

引言

塑料污染和水污染是两个最紧迫的环境问题[1]。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）因其高产量和有限的生命周期再利用途径，在包装和纺织领域被广泛使用，从而导致大量的塑料废物[2]。尽管PET在技术上是可回收的，但大量PET仍然堆积在垃圾填埋场和自然生态系统中，这凸显了迫切需要可持续的、增值的回收策略，以超越传统的机械回收方法[4]。

与此同时，来自纺织[5,6]、印刷和塑料工业的合成有机污染物（尤其是染料）已成为水环境中的普遍污染物[7]。这些化合物通常具有毒性、化学稳定性，并且对传统处理方法具有抗性，对生态系统和人类健康构成长期威胁[8]。它们复杂的结构以及与共存离子和天然有机物的相互作用进一步增加了有效去除的难度[9]。

已经探索了多种染料去除方法[[10], [11], [12]]，包括光催化[13]、芬顿反应和臭氧氧化[14,15]等高级氧化过程，以及膜过滤[16]、混凝絮凝[17]和生物处理[18]。虽然高级氧化过程可以有效降解染料，但往往需要高能耗和复杂的操作[19]。膜过滤提供了有效的物理分离，但容易发生污染并且运营成本较高[20]。混凝絮凝方法简单且适用于大规模应用，但会产生污泥，并且对化学稳定的染料去除效率有限[21]。生物处理方法环保且能耗低，但处理速度慢，对顽固化合物的效果较差[22]。相比之下，吸附方法具有简单性、成本效益高和操作条件温和的优点，同时还能回收吸附剂和污染物。常见的吸附剂包括活性炭[23]、生物炭[24]和金属有机框架[25]，已被广泛用于染料去除。然而，许多吸附剂存在合成过程复杂[26]、再生潜力有限或性能不佳的问题。

多金属氧酸盐（POMs）是由高价过渡金属（如Mo(VI)、W(VI)和V(V)）通过氧原子连接而成的离散的阴离子金属-氧簇，形成明确的三维结构[27]，根据结构特征可分为Keggin型、Dawson型和Lindqvist型POMs[28,29]。其中，Keggin型POMs（H?[PMo??V?O??]，简称PMoV）具有独特的氧化还原性质、可调的酸性和对有机分子的强亲和力，使其在催化和吸附应用中具有很大的潜力[30]。然而，它们的实际应用往往受到水稳定性或分散性不佳的限制[31]。将POMs固定在坚固的多孔载体上可以提高其在水环境中的重复使用性、结构完整性和吸附效率[32,33]。

在这项研究中，我们提出了一种双重策略，同时解决了PET废物的回收利用和高效染料吸附问题[34]。首先将废弃PET热转化为多孔碳载体（C-PET），然后通过水热固定POMs（PMoV）[35]，制备了一系列新型的混合吸附剂（PMoV@C-PET-X，其中X表示PMoV的负载量，范围为20-50）[36]。对所得材料进行了系统表征，并评估了其在不同环境条件下去除亚甲蓝（MB）的能力[37]。

这项工作不仅展示了PMoV@C-PET-30的高吸附效率、环境稳定性和重复使用性，还揭示了促进快速吸附的协同作用机制。通过将聚合物回收与水处理相结合，这项研究为解决这两个相互关联的全球性问题提供了可行的、环保的解决方案。

部分内容

PMoV@C-PET-X的制备

PMoV的制备遵循已报道的程序[36]（S3）进行。

C-PET的制备：将消费后的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料瓶切割成0.5×0.5厘米的正方形，彻底清洗后风干。将2.0克PET与1.0克NaCl和0.9克ZnCl₂混合，然后在空气中进行两阶段碳化处理：首先以10°C/min的速度加热至280°C并保持8分钟，接着加热至550°C并保持10分钟。

PMoV@C-PET-X的表征

C-PET的FT-IR光谱在933 cm^-1、860 cm^-1和726 cm^-1处显示出峰值（图1a），分别对应于CH₂基团、=C-H键和C=O键的伸缩振动[43]。加入PMoV后，PMoV@C-PET-X在1058 cm^-1处出现一个新的吸收峰，这归因于PMoV的P-O伸缩振动。此外，933 cm^-1、860 cm^-1和726 cm^-1处的峰值与纯PMoV相比发生了明显变化[44]，并且随着PMoV负载量的增加，这些峰值的强度也有所增强。

结论

本研究通过将废弃PET转化为C-PET，随后通过水热固定PMoV，制备了一系列新型的PMoV@C-PET-X吸附剂。其中，PMoV@C-PET-30在5分钟内实现了对亚甲蓝（MB）的快速完全吸附，这一过程受到静电吸引、π-π堆叠和η-π相互作用的协同作用驱动。机制分析表明，在低浓度下吸附主要以化学吸附为主，而在高浓度下则表现为化学吸附与物理吸附相结合的双模式。

未引用的参考文献

[40,41,57]

CRediT作者贡献声明

郭慧：撰写初稿、方法论设计、数据分析、概念构思。曾飞：验证结果、方法论设计、实验研究、概念构思。张丹：撰写与编辑、撰写初稿、项目监督、资金筹措、数据分析、概念构思。徐文彪：撰写与编辑、结果验证、项目监督、资源协调、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了吉林省教育厅科研计划（JJKH20240090KJ）的支持。