基于纳米技术的微塑料去除先进吸附机理：材料改性与功能增强的研究进展

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Advanced Adsorption Mechanisms for Microplastic Removal Using Nanotechnology: Insights into Material Modifications and Functional Enhancements

　　

•审查了用于微塑料 (MP) 去除的磁性纳米颗粒、碳基纳米材料和光催化纳米颗粒
•分析了吸附、表面结合和降解
•解决了纳米颗粒回收、环境安全性和成本效益等挑战
•确定了人工智能、微/纳米机器人和光催化分解是未来的发展方向

引言
微塑料是微小的塑料颗粒（1 μm 至 5 mm），源自较大塑料的破碎或有意生产，例如化妆品中的微珠（Thompson 等，2004），而纳米塑料的尺寸则小于 1 μm。微塑料的降解受阳光、水分、热量助益，是一个缓慢的过程（Bajt 2021），导致其裂解为单体，随后通过微生物代谢转化为二氧化碳和水（Ali 等，2021）。它们广泛存在于水体、土壤甚至食物中，构成显著的环境和健康风险。微塑料通过进入食物链并在生物体内积聚危害水生生态系统，可能影响生物多样性（Robertson 等，2022）。此外，它们吸附有毒污染物，如农药和重金属，增加了人类和动物生物累积和中毒的风险。去除它们对于保护生态系统、防止污染和减轻长期健康影响至关重要（Ko 等，2024）。
污水处理厂是微塑料进入环境的主要来源（Gkatzioura, Zafirakou, & Zorpas, 2021）。传统的处理工艺，如混凝、沉淀、过滤和浮选，对去除较小的微塑料（特别是尺寸范围较低且密度较低的那些）往往效率有限。基于纳米的方法具有高比表面积、可调的表面化学性质以及增强的吸附/催化相互作用，能够更高效地捕获多种微塑料颗粒。然而，其实际应用仍需仔细考虑纳米材料的稳定性、再生性、二次释放、成本和环境安全性。这些特性使得纳米材料在微塑料去除方面非常有效。纳米材料的物理化学性质可以通过合成和功能化过程进行定制，从而精确控制比表面积、孔隙率和晶体结构。例如，多孔二维材料如石墨烯和层状双氢氧化物被设计用于增强吸附和光催化效率，而一维材料如碳纳米管由于其无摩擦纳米通道而改善了水的传输（Chen 等，2008）。它们的目的是通过物理移除/分离（微塑料从水相转移而不被破坏）、吸附/捕获（微塑料保留在吸附剂表面）、转化/降解（聚合物结构在化学或物理上发生改变）以及矿化（代表更广泛的降解，趋向于更简单的终产物如 CO2 和 H2O）来去除微塑料。
纳米材料的 functionalization（功能化）和 hybridization（杂化）进一步扩展了它们的通用性。用特定表面基团 functionalize（功能化）纳米材料或将其与其他材料整合，可以显著增强其稳定性、分散性和选择性结合性能。已开发出整合亲水纳米材料的纳米复合膜，以提高渗透性、减少污染并延长膜寿命。同样，将二维石墨烯转化为三维结构可减少团聚并增加吸附容量，而将零维纳米颗粒转化为一维或三维结构则增强了表面积和催化活性。这些进步使得在水处理和工业过程中实现高效且环保的解决方案成为可能。
将纳米材料整合到块体材料中也被证明有利于提高机械强度、能源效率及污染物降解能力。像太阳能驱动的光催化过程这样的创新将光吸收范围扩展到可见光和近红外区域，使能源使用更加可持续。此外，将纳米材料与块体基体（如聚合物膜）结合，可以增强性能和耐久性。如今，使用生物纳米材料去除微塑料也越来越受到关注。疏水性铁纳米颗粒、C@Fe3O4 复合材料、磁性碳纳米管和镁/锌改性磁性生物炭可作为吸附剂（Chellasamy 等，2022）。调节纳米材料尺寸和性质的灵活性凸显了其革新环境和工业技术的潜力，解决诸如能源需求和水污染等挑战。
尽管人们对基于纳米技术的微塑料去除方法兴趣日益增长，但关于控制微塑料吸附到改性纳米材料和纳米复合材料上的机制仍存在重大知识空白。现有研究主要集中在使用单一吸附剂展示去除效率，相比之下，关于建立纳米材料性质、表面功能化、微塑料特征和吸附机制之间明确关系的关注较少。特别是，粒径、聚合物类型、表面电荷、风化作用、官能团以及共存有机和无机污染物的存在对微塑料 - 纳米材料相互作用的影响仍了解不足。此外，缺乏对不同材料改性（包括功能化、杂化、磁性改性及纳入复合结构）的系统比较。这些改性材料的稳定性、再生潜力、纳米颗粒二次释放和环境安全性也未得到充分解决。因此，需要对最新进展进行关键的、面向机制的综合，以阐明如何战略性地设计材料改性和功能增强，以改进选择性、高效且环境可持续的微塑料去除。本综述旨在通过联系材料特征和改性策略与吸附机制及去除性能来解决这些空白，同时确定实际应用必须克服的关键挑战。因此，本综述的主要目标是提供纳米赋能微塑料去除技术的最新状态、材料性质与功能改性、吸附性能、选择性和可重复使用性之间的关系，以及技术就绪度和从实验室规模研究过渡到野外和废水处理应用的障碍。
使用关键词“Microplastic（微塑料）”、“Nanoplastic（纳米塑料）”、“Nanomaterial（纳米材料）”、“Water treatment（水处理）”、“Removal（去除）”和"Separation（分离）”对文献进行了分析。使用 VOS viewer 绘制了强度为 4 的 Scopus 文档结果，总计 367 篇。从 Scopus 提取数据时设置了某些参数，如年份（2015-2025），排除会议摘要、论文集和书籍章节。聚类的大小表示该聚类中的文章数量（图 1a），虽然"nanomaterial（纳米材料）”和"microplastic（微塑料）”（作为一种涉及纳米材料的具体研究）之间的完整联系并不立即可见，但该研究观察到围绕"nanomaterial（纳米材料）”的聚类，因此假设此类纳米材料与微塑料去除研究的相关性。在绘制 VosViewer 图像时，该研究保持了某些参数，如最小出现次数：5，选择关键词数量：1000，最大线条：1000）。出版趋势呈现出快速指数增长（图 1b），中国和美国在出版数量方面领先（图 1c）。在图 1 (b) 中，观察到了下降趋势：2025 年，出版物数量比前一年（2024 年）减少了 7 篇。

章节摘要
方法
本节描述了进行纳米赋能微塑料去除技术范围综述的系统方法，确保符合当代综述标准的可重复性和方法准确性。
纳米材料的分类
根据尺寸和应用，纳米材料被分类为 0D、1D、2D 和 3D 结构（图 2）。0D 纳米材料是球形或准球形纳米颗粒，所有维度均限制在 100 nm 以内。常见示例包括像银这样的金属和像 TiO2 这样的金属氧化物，它们可以被合成为球形几何形状。这些材料的特征是尺寸极小、高表面积体积比和单位质量丰富的活性边缘位点。1D（一维）
使用纳米材料的吸附现象
吸附是一个质量传递过程，涉及污染物与吸附剂表面的物理或化学结合（Jain 等，2021）。最广泛使用的吸附剂是活性炭，因其大孔径和表面积。由于其高成本，正在开发功能化的碳基纳米材料。吸附过程涉及主体溶液传输、膜扩散传输、孔传输以及最终的吸附质附着（图 3）。主体溶液 纳米催化剂
混合催化系统在微塑料去除方面显示了良好的潜力（Benettayeb 等，2023）。这些系统结合两种或更多类型的催化剂以增强微塑料降解的效率。例如，混合催化系统可以将光催化剂与酶催化剂结合，以促进更快、更高效的微塑料降解（Benettayeb 等，2023）。在研究中，作者介绍了一种基于 TiO2 的类电化学芬顿技术
吸附剂的改性
需要对吸附剂进行改性以增强吸附剂的吸附容量。这可以通过不同的处理来实现，如热处理、酸改性、金属元素掺杂和复合改性。
环境安全与生命周期评估
虽然纳米材料在去除微塑料方面具有巨大潜力，但在其最终命运和潜在生态影响得到全面评估之前，关于其环境可持续性的声明仍不完整。吸附剂降解会导致金属浸出和纳米颗粒释放，导致二次污染。几种缓解策略是有效的：(1) 将纳米材料固定在稳定的载体（如活性炭或膜）上可防止分散（Yao 等，2010）；(2)
技术路线图与未来展望
本节综合了纳米赋能微塑料去除技术的演变，通过六个相互联系的轨迹，每个轨迹追溯了 PAST development（过去发展）→ CURRENT state（当前状态）→ FUTURE scenarios（未来情景）。这一结构化路线图将通用的“future work（未来工作）”陈述转化为与技术就绪评估和现实世界部署需求相一致的可操作路径。
结论
使用纳米颗粒进行微塑料去除为应对微塑料污染这一关键环境挑战提供了一种有前景和创新的方法。由于其独特的物理化学性质，包括高比表面积、可调的表面化学、增强的吸附能力和催化活性，纳米颗粒已显示出在水生环境中捕获、分离和降解微塑料的惊人效率。各类

CRediT 作者贡献声明
Megha Resmi Raj：撰写 – 原稿，形式分析，数据整理。Baiju Velappan：撰写 – 审阅与编辑，调查。Chingakham Chinglenthoiba：撰写 – 原稿，方法论，调查。Priya Krishnamoorthy Lakshmi Ammal：撰写 – 审阅与编辑，监督，概念化。Indu Manorema Sasidharan Pillai：撰写 – 原稿，方法论，形式分析。Tonni Agustiono Kurniawan：撰写 – 审阅与编辑，方法论，调查。Md Munir Hayet

未引用参考文献
Batool and Valiyaveettil, 2021; Bahmanzadegan and Ghaemi, 2025; Gatzioura et al., 2021; Miao et al., 2020; Nohara et al., 2024; Priya et al., 2022; Subair et al., 2024; Wang et al., 2024; Zhao et al., 2022.

出版同意
不适用

伦理批准
不适用

参与同意
不适用

竞争利益
作者声明没有竞争利益

数据可用性声明
不适用

临床试验号
不适用

资金
理事会 (P) 命令第 99/2025/KSCSTE 号，日期 2025 年 3 月 22 日，工程与技术计划，喀拉拉邦科学技术与环境理事会，喀拉拉邦政府

竞争利益声明
? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。

致谢
不适用

Megha Resmi Raj|Priya Krishnamoorthy Lakshmi Ammal|Indu Manorema Sasidharan Pillai|Baiju Velappan|Chingakham Chinglenthoiba|Tonni Agustiono Kurniawan|Md Munir Hayet Khan|Shahriar Shams