纳米塑料从水中到磁性生物炭的吸附行为：单一及二元重金属体系中的实验与DFT联合研究

《Environmental Research》：Adsorption behavior of nanoplastics from water onto magnetic biochar in single and binary heavy metal systems: A combined experimental and DFT study

　　

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  Pb(II)和Zn(II)均降低了磁性生物炭对PS的表观吸附量。
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  尽管总金属负载量更高，二元体系中的PS吸附量仍高于单一金属体系。
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  粒径数据支持PS保留在外表面而非填充微孔。
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  DFT计算显示，在模型化的PS–MBC界面处，Pb和Zn具有不同的接触构型。

引言

近几十年来，塑料的大量生产和消费导致微塑料在 aquatic（水体）、terrestrial（陆地）和人工环境系统中的普遍存在（Ali等，2023年）。全球塑料排放估计每年为10至40百万吨（Sajedi等，2025年），其中相当大的一部分最终进入垃圾填埋场、河流、近岸水域和污水处理系统（Chen等，2024年）。通过持续的物理、化学和生物降解过程，宏塑料和微塑料逐渐降解为纳米级颗粒（<1 μm，称为纳米塑料），纳米塑料表现出增强的迁移性、持久性和界面反应性，因而已成为日益受到关注的新兴环境污染物（S?rndahl等，2026年）。

从修复角度看，吸附已被广泛认可为纳米塑料去除的高效且可持续的策略（Zhao等，2025年）。吸附过程主要由孔填充、静电相互作用、氢键、疏水相互作用和π-π电子供受体效应驱动（Wang, X.等，2026年）。在各种吸附剂中，生物炭和磁性生物炭（MBC）因其多孔结构、可调的表面化学和磁性可分离性而备受关注（Li等，2026年）。在人工湿地中，Fe改性生物炭和Fe/Zn改性生物炭对PS微塑料的去除效率分别为69.27-88.82%和60.47-88.15%，在长期运行条件下优于砾石（20.36-79.75%）和原生物炭（40.53-84.75%）（Xiao等，2026年）。近期研究表明，功能化磁性生物炭体系可在环境相关条件下实现69-89%的微/纳米塑料去除效率，这归因于静电吸引和净捕获聚沉效应等协同界面相互作用（Ye等，2025年）。在环境界面处，纳米塑料常作为重金属的载体和反应底物。在近岸海面微层中，已发现与防污漆相关的人工微/纳米颗粒，含有多种金属形态，包括Cu、Zn、Cu-Zn、Ti、Sn、Ba以及Fe-Mn-Ni体系（Ren等，2025年）。值得注意的是，此类颗粒中Cu浓度最高可达54,000 mg/kg，而Zn可超过13,000 mg/kg（Zhang等，2023年），反映出塑料相关基质中显著的重金属富集。这些观察结果证实，纳米塑料可作为水环境中有毒重金属的重要运输载体和储库。在此背景下，已基于真实水环境研究了纳米塑料与重金属之间的相互作用机制（Fan等，2026年）。Liu等人报道，水体系统中纳米塑料与重金属之间的相互作用可引起1.3-2.5倍的协同毒性增加，这可能与电子转移过程改变和活性氧物种生成有关（Liu等，2026年）。然而，现有大多数研究聚焦于单一污染物的去除，重金属-纳米塑料共存条件下吸附剂的性能和机制仍知之甚少（Zhang等，2025年）。因此，阐明纳米塑料-重金属-吸附剂三元体系中的界面行为对于推进水处理策略至关重要。

密度泛函理论（DFT）已被广泛应用于从电子尺度阐明吸附机制，通过量化吸附能、电荷转移和轨道相互作用来实现（Zhang等，2026年）。此前的研究表明，DFT计算的相互作用能与实验光谱证据显示的表面络合具有高度一致性，证实了其在联系电子结构与宏观吸附行为方面的有效性（Ma等，2024年）。此外，竞争吸附体系已表明，多组分环境中的分子间相互作用可显著改变吸附亲和力，这是通过结合实验和DFT分析揭示的（Bouzid等，2025年）。这些研究表明，DFT可有效架起电子结构变化与宏观吸附行为之间的桥梁。然而，尽管已有证据表明金属离子可显著调控碳基材料的电子结构，但共存重金属在环境相关多组分条件下对磁性生物炭吸附纳米塑料的调控作用仍理解不足。

本研究选择聚苯乙烯纳米塑料（PS，100 nm）和磁性生物炭（MBC）作为模型体系，研究重金属介导的吸附调控。我们假设重金属重构了PS-MBC界面吸附格局，而非简单地竞争吸附位点。通过结合实验、表征和密度泛函理论计算，研究了Pb(II)、Zn(II)以及Pb(II)/Zn(II)条件下的吸附行为。本研究揭示了金属诱导的界面重构如何主导纳米塑料吸附，并为纳米塑料在复杂水环境中的归趋提供了新见解。

章节摘要

材料

PS微球（100 nm，单分散）购自江苏知传科技有限公司（中国江苏）。木质素（脱碱，CAS号9005-53-2）购自阿拉丁化工股份有限公司（中国上海）。六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）同样购自阿拉丁化工股份有限公司（中国上海）。其他分析纯化学品，包括HCl、NaOH、Pb(NO₃)₂和Zn(NO₃)₂·6H₂O，由国药集团化学试剂有限公司（中国上海）供应。所有

单一和二元金属条件下MBC的金属调控PS吸附行为

在初始PS浓度为100 mg L^-1时，无金属条件下表观PS吸附容量为24.25 mg g^-1，含Pb(II)时为19.40 mg g^-1，含Zn(II)时为14.48 mg g^-1，二元Pb(II)/Zn(II)处理时为21.14 mg g^-1（图1a）。与无金属对照组相比，含Pb(II)降低了20.0%，含Zn(II)降低了40.3%，二元处理降低了12.8%。因此，在这些条件下，Zn(II)产生的数值降幅最大。

Zn(II)中观察到的更大降幅表明

结论

Pb(II)和Zn(II)对磁性生物炭（MBC）表观吸附分散态PS纳米塑料产生了不同影响。在初始PS浓度为100 mg L^-1时，吸附量从无金属体系中的24.25 mg g^-1降至Pb(II)存在时的19.40 mg g^-1和Zn(II)存在时的14.48 mg g^-1，而二元Pb(II)/Zn(II)处理产生了中间值21.14 mg g^-1。二元处理中含100 mg L^-1总金属，而任一单一金属体系中含50 mg L^-1

CRediT作者贡献声明

徐晓飞：调查研究、正式分析。焦燕：撰写–原始稿、软件、方法论、调查研究、正式分析、数据整理。王少清：撰写–审阅与编辑、项目管理、方法论、资金获取、概念化。杨复礼：撰写–审阅与编辑、资金获取。周景鹏：资源、概念化。陈新成：资源、概念化。沈秀利：撰写–审阅与编辑、资源。张晨光：正式

未引用参考文献

Wang等，2026年。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能被认为会影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（批准号52406260）、山东省自然科学基金（批准号ZR2024ME055、ZR2023QE106）、中国博士后科学基金会（批准号2023M732114）、农业残留物能源资源利用重点实验室（批准号KLERUAR2025-01）以及山东省高等学校青年创新团队发展计划（批准号2024KJH018）的资助。

焦燕|徐晓飞|刘婷婷|张晨光|沈秀利|陈新成|周景鹏|杨复礼|王少清