《Next Materials》：Efficient removal of polystyrene microplastics from seawater using a chitosan-activated carbon nanocomposite: Preparation of the adsorbent and optimisation of removal methods
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该文章讨论了壳聚糖（chitosan）与活性炭（activated carbon，AC）改性形成壳聚糖-活性炭纳米复合材料（CS-AC）及其在去除海水中聚苯乙烯（polystyrene，PS）中的应用。研究人员发现该复合材料在酸性和碱性介质中均稳定。复合材料的
该文章讨论了壳聚糖（chitosan）与活性炭（activated carbon，AC）改性形成壳聚糖-活性炭纳米复合材料（CS-AC）及其在去除海水中聚苯乙烯（polystyrene，PS）中的应用。研究人员发现该复合材料在酸性和碱性介质中均稳定。复合材料的傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示存在O-H、N?H、C-O和C=O基团，能够与PS结合。扫描电子显微镜（SEM）图像揭示了复合材料具有粗糙、不规则且多孔的结构，有利于吸附。X射线衍射（XRD）结果表明，与半结晶壳聚糖（2θ 19.9）相比，复合材料更无定形（2θ 20–30）。在海水中，初始PS浓度为50?mg/L、pH 6时，吸附效率约为77.4%。等温线图的相关系数（R2）表明Langmuir模型（R2 = 0.9994）最符合实验数据。颗粒内扩散的相关系数（R2 = 0.9921）表明多阶段扩散，但由于边界层效应并非唯一限速步骤，而Boyd模型（R2 = 0.992）进一步表明过程中发生颗粒内孔隙扩散。伪二级动力学模型（R2 = 0.9920）比伪一级动力学模型（R2 = 0.9883）和Elovich模型（R2 = 0.9453）更符合实验数据，表明化学吸附是关键步骤。使用氯仿对使用过的复合材料进行再生效果最佳，经过五个循环后脱附能力达到83.98%。
**研究背景、问题与目的**
海洋微塑料（microplastics, MPs）污染日益严重，水中MPs浓度可达每立方米数十至数千颗粒，多数海洋生物体内含有数百个MPs。聚苯乙烯（polystyrene, PS）作为一种常见聚合物，来源于石油衍生苯乙烯，广泛用于包装、绝缘材料和一次性容器，其废弃物预计到2046年全球城市固体废物将达34亿吨。PS微塑料在水环境中持久存在，对海洋生物造成氧化应激、肠道菌群失调和神经毒性，并可通过食物链进入人体，引发肝脏和肾脏炎症及代谢紊乱。传统水处理方法无法完全去除PS微塑料，因此亟需开发成本低廉、可生物降解且高效的吸附剂。壳聚糖（chitosan, CS）是一种廉价、无毒且易聚合的天然材料，但存在表面积低和酸性条件下不稳定等局限；活性炭（activated carbon, AC）具有高表面积但缺乏选择性且机械稳定性差。将CS与AC复合可增强吸附能力、机械强度和水相稳定性。本研究旨在制备壳聚糖-活性炭纳米复合材料（CS-AC），并优化其从海水中去除PS微塑料的条件，以缓解海洋生态系统中PS污染。
**研究内容与结论**
研究人员成功合成了CS-AC复合材料，通过多种表征手段证实其结构稳定性和吸附性能。在优化条件下（pH 6、初始PS浓度50 mg/L、接触时间120 min、吸附剂剂量30 mg），复合材料对PS的吸附效率达99.00%，在海水样品中（pH 6、初始PS浓度50 mg/L）达到77.4%的去除率。吸附等温线符合Langmuir模型（R2=0.9994），最大吸附容量为129.87 mg/g；动力学研究表明伪二级动力学模型（R2=0.9920）最佳，化学吸附为限速步骤，同时存在颗粒内扩散和多阶段扩散。热力学分析表明吸附过程为自发放热反应。使用氯仿进行再生，五次循环后脱附能力仍达83.98%。该研究为海水PS微塑料的去除提供了一种高效、可重复使用的可持续吸附剂，具有重要的环境应用意义。论文发表在《Next Materials》。
**关键技术方法**
研究人员采用以下主要技术方法：1) 复合材料制备：将壳聚糖溶于乙酸溶液，加入活性炭搅拌后离心、洗涤、干燥，得到CS-AC复合材料。2) 表征技术：利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团；扫描电子显微镜（SEM）观察形貌；X射线衍射（XRD）分析晶体结构；热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估热稳定性；Brunauer-Emmett-Teller（BET）法测定比表面积和孔隙率。3) 吸附实验：批次实验研究pH（5–10）、接触时间（5–240 min）、吸附剂量（5–30 mg）、初始浓度（50–300 mg/L）和温度（298–343 K）的影响，使用紫外-可见分光光度计（UV-vis）在λmax 260 nm测定PS浓度。4) 动力学和等温线建模：采用伪一级、伪二级、Elovich、颗粒内扩散和Boyd动力学模型，以及Langmuir、Freundlich、Temkin和Dubinin-Radushkevich等温线模型拟合数据。5) 再生实验：使用氯仿、甲苯和70%乙醇作为脱附剂进行五次循环测试。6) 海水样本来源：采集自马来西亚槟城三个地点（Bayan Lepas、Tanjung Bunga），经0.45 μm膜过滤后用于加标实验。
**研究结果**
3.1.1 pH零点电荷（pHpzc）：CS-AC复合材料的pHpzc约为6.2，表明pH < 6时表面带正电，有利于阴离子吸附；pH > 6时带负电，有利于阳离子吸附。
3.1.2 溶解度：CS-AC复合材料在1 M NaOH、1 M HCl和超纯水中均不溶，表明其稳定性优于纯CS。
3.1.3 化学化合物分析（FTIR）：FTIR光谱显示CS-AC含有O-H、N-H、C-O和C=O基团，吸附后峰位从3430 cm?1移至3467 cm?1，表明与PS发生π-π堆积作用。
3.1.4 热分析（TGA/DSC）：TGA显示在154 °C失重13.6%（水分），438.8 °C失重33.5%（壳聚糖分解），900 °C残留6.7%；DSC显示在159.7 °C出现尖锐峰，证实复合材料热稳定性良好。
3.1.5 X射线衍射（XRD）：CS在2θ 19.9°呈半结晶峰，AC在2θ 26.5°有特征峰，CS-AC在2θ 20–30°呈宽峰，表明无定形程度增加，有利于吸附。
3.1.6 形貌分析（SEM）：CS表面光滑，AC呈不规则多孔结构，CS-AC表面粗糙、多孔且分布不规则，吸附后表面覆盖白色PS层，证实吸附发生。
3.1.7 元素分析（EDX）：CS-AC含有C（70.94%）、O（22.58%）、N（4.87%）及少量Al和Si，表明成功复合。
3.1.8 表面积和孔隙率（BET）：BET比表面积为119.03 m2/g，Langmuir比表面积172.79 m2/g，孔径2.34 nm，为介孔结构，有利于PS吸附。
3.2.1 pH影响：pH 6时吸附效率最高（69.18%，Q?=138.35 mg/g），pH高于6时因脱质子化及-OH竞争吸附而下降。
3.2.2 接触时间影响：60 min内快速吸附（57.7%），120 min达平衡（69.41%），动力学符合伪二级模型（R2=0.9920），表明化学吸附为主。
3.2.3 初始剂量影响：剂量从5 mg增至30 mg时，去除率从69.03%升至99.00%，但吸附容量从138.07 mg/g降至32.68 mg/g，因聚集导致比表面积下降。
3.2.4 浓度影响：初始浓度50 mg/L时去除率99.00%，300 mg/L时降至63.04%，最大吸附容量126.08 mg/g，符合Langmuir单层吸附。
3.2.5 温度影响：298 K时吸附效率最高（98.7%），温度升高后下降，表明吸附为放热过程。
3.2.6 吸附动力学：伪二级模型（R2=0.9920）最佳，颗粒内扩散（R2=0.9921）和Boyd模型（R2=0.992）表明多阶段扩散和孔扩散。
3.2.7 吸附等温线：Langmuir模型（R2=0.9994）最拟合，最大吸附容量129.87 mg/g，Temkin模型（R2=0.9541）支持单层吸附，Freundlich模型（R2=0.9331）表明存在多层吸附。
3.2.8 吸附热力学：ΔG为负值（-9.73至-2.76 kJ/mol），ΔH=-5.52 kJ/mol，ΔS=-154.87 J/(mol·K)，表明自发、放热、熵减过程。
3.3 可重复使用性：氯仿、甲苯和70%乙醇的初始脱附率分别为94.0%、92.8%和52.6%，五次循环后氯仿仍保持83.98%脱附率。
3.4 吸附机制：PS通过π-π堆积、范德华力和孔隙捕集与CS-AC结合，AC的芳香结构提供疏水区域，CS的-NH?和-OH基团增强静电和氢键作用。
3.5 与先前研究比较：CS-AC的吸附容量（129.87 mg/g）优于多数报道的吸附剂，如金属有机框架ZIF-67（11.6 mg/g）和玉米芯生物炭（75.42 mg/g），仅次于3D还原氧化石墨烯（617.28 mg/g），但效率更高（99% vs 89%）。
3.6 海水中PS去除：在三个海水样品中，PS加标浓度20、40、60 mg/L时，去除率范围为72.83%–77.31%，相对标准偏差（RSD）低于9%，表明在竞争离子存在下仍有效。
**总结与结论**
讨论部分综合了吸附机制和性能对比，强调CS-AC复合材料通过多机制协同（物理吸附、化学吸附、孔隙扩散）实现高效去除。研究结论部分翻译如下：
通过合成、表征和应用CS-AC复合材料去除海水中PS取得了显著成功。SEM展示了CS的光滑表面、AC的多孔性及CS-AC增强的多孔表面；吸附后CS-AC表面被白色PS层覆盖，证实吸附发生。FTIR光谱显示CS-AC表面存在N-H、O-H、C-O和C=O基团，为PS提供附着位点，吸附前后峰位移动表明吸附发生。XRD图谱显示AC的结晶区和CS的无定形区，使CS-AC兼具结晶和无定形部分。TGA和DSC结果证明CS-AC即使在高温下也稳定。尽管海水中存在竞争离子和溶解有机物，在pH 6时仍获得77.4%的PS吸附效率，表明吸附过程依赖pH。对于均匀表面上的单层吸附，Temkin模型（R2=0.9541）支持Langmuir模型（R2=0.9994）的最佳拟合；同时Freundlich模型（R2=0.9331）描述了异质表面上的多层阶段过程，但Langmuir模型占主导。吸附动力学显示多扩散阶段，不同动力学模型（Weber Morris R2=0.9921、伪一级R2=0.988、伪二级R2=0.992）均表现出高R2值，其中伪二级（化学吸附）为关键步骤。使用氯仿、甲苯和70%乙醇研究复合材料的可重复使用性，氯仿初始去除效率为94.00%，五次循环后仍达83.98%。
