将塑料废弃物转化为塑料解决方案：利用闪热技术合成铁碳复合材料，用于从水中去除纳米塑料

《Separation and Purification Technology》：Turning plastic waste into a plastic solution: flash joule heating synthesis of iron-carbon composites for nanoplastic removal from water

　　

王晓毅|林静怡|苏文辉|张硕|尹凯月|连飞

河北工业大学污染控制与环境健康研究所及能源与环境工程学院，天津 300401，中国

摘要

纳米塑料作为一种新兴污染物，对生态系统和人类健康构成了严重威胁。传统的水处理工艺对纳米塑料的去除效率有限，这凸显了开发有效修复技术的迫切需求。在本研究中，通过闪速焦耳加热（FJH）技术快速合成了新型载铁吸附剂，用于高效去除水中的聚苯乙烯纳米塑料。通过调整Fe与C的质量比和脉冲电压，优化了其去除性能。优化后的载铁吸附剂达到了99.4%的去除效率，最大吸附容量接近1000 mg/g。该去除过程可以用Elovich动力学模型和Sips等温模型很好地描述，表明存在异质表面相互作用。机理研究表明，吸附作用受到多种协同效应的调控，包括静电吸引、疏水作用、π-π堆积以及Fe介导的表面络合。该吸附剂在广泛的pH范围（3-10）和实际水样中均表现出良好的性能。使用二次FJH处理后，废吸附剂仍可恢复超过94.2%的去除效率。本工作表明，FJH技术为将废旧轮胎转化为用于高效去除水中纳米塑料的碳基吸附剂提供了有前景的途径。

引言

由于成本效益和耐用性，塑料已被广泛使用数十年。然而，监管不足导致塑料大量且无控制地释放到环境中[1]。由于风化作用，废弃塑料会在水生和陆地环境中分解成不同粒径的颗粒，包括微粒和纳米颗粒[2]。由于纳米塑料的高移动性和反应性，它们对生物体和人类健康构成严重威胁[3][4]。例如，有研究表明纳米塑料可能穿过血脑屏障，在大脑中积累，导致神经毒性、行为问题和学习障碍[5][6]。传统的水处理设施能有效去除大于10 μm的塑料颗粒，但在去除纳米塑料方面效果有限[7][8]。因此，迫切需要开发有效去除水中纳米塑料的方法。

目前去除纳米塑料的主要方法包括混凝、膜过滤、吸附和光催化降解[9][10]。其中，吸附方法因其操作简便、能耗低和成本效益高而备受关注，成为减轻纳米塑料污染的主要手段[11]。用于去除纳米塑料的吸附剂主要包括碳基吸附剂（如炭化材料）[12]、聚合物基吸附剂（如大孔树脂）[13]和复合材料（如金属有机框架）[14]。例如，活性炭被用于去除带正电的100 nm聚苯乙烯纳米塑料，最大吸附容量为6.33 mg/g，去除效率为90%[15]。咖啡渣对胺修饰的聚苯乙烯纳米塑料的吸附容量约为4 mg/g，去除效率为74%，这一过程主要依靠静电作用和氢键[16]。壳聚糖纳米纤维泡沫对聚苯乙烯纳米塑料的吸附容量高达411.14 mg/g，去除效率为98.7%，其作用机制包括氢键、π-π相互作用和静电吸引以及物理截留[17]。为了提高纳米塑料的去除效果，常采用金属氧化物等活性组分对吸附剂进行表面改性[18]。例如，聚苯胺涂层的磁性炭化材料对聚苯乙烯纳米塑料的去除容量高达276.25–334.45 mg/g[19]。然而，传统的制备载铁碳吸附剂的方法（如水热处理和共热解）能耗高且耗时较长，且容易导致金属团聚，对金属分散的控制能力有限[20]。这些局限性表明需要更高效和可控的合成策略。

闪速焦耳加热（FJH）是一种利用电容放电产生瞬时超高温（>2000 K）的技术，能够将多种固体碳源在毫秒级别转化为类石墨烯纳米材料[21][22][23][24]。此外，高温焦耳加热还成功用于合成多种碳基功能材料，包括石墨烯气凝胶[25]、Fe-碳复合材料[26]和碳支撑的高熵合金[27]。与传统合成方法相比，FJH方法不仅降低了能耗，还实现了高通量生产[28]。最近的一项研究将FJH与碱木质素的缓慢热解（800–1000 °C）进行了比较[29]，结果显示FJH的生物炭产率更高（52% vs. 29–44%），能耗更低（0.0026 kWh vs. 14–16 kWh），进一步证明了FJH在生产和效率方面的优势。FJH制备的碳质材料具有优异的吸附性能，适用于去除新兴污染物。然而，其在去除水中的纳米塑料方面的潜力尚未得到充分探索。在本研究中，我们利用FJH技术合成了新型载铁碳吸附剂，用于去除水中的纳米塑料。我们假设使用炭化废旧轮胎作为基底，并结合FJH的快速热循环，可以在碳基质中实现均匀的Fe负载，从而创建大量的纳米塑料吸附活性位点。

因此，本研究的主要目标是：（1）通过FJH方法合成新型载铁碳吸附剂，以增强对水中纳米塑料的去除效果；（2）研究其吸附机制并评估所得FJH衍生复合材料的可重复使用性。为此，我们选择了天然和废水系统中常见的模型纳米塑料——聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs）[30][31]作为研究对象。使用废旧轮胎碎片作为前驱体，经过FJH处理后制备载铁碳吸附剂。通过动力学和等温实验评估了PSNPs的去除性能和机制，并研究了废载铁碳吸附剂的再生能力。

章节摘录

材料与化学品

废旧轮胎碎片来自中国天津的一家橡胶制造商，通过150目（100 μm）筛网筛选得到所需颗粒。聚苯乙烯纳米塑料（PSNPs，直径50–100 nm，重量百分比2.5%）由BaseLine（天津）提供。其他化学品购自国家药用化学试剂有限公司。所有化学品均为分析级，无需进一步纯化即可使用。

炭化与浸渍

废旧轮胎碎片从室温以5 °C/min的速率加热至700 °C

FJH衍生吸附剂的物理和化学性质

图1a展示了通过FJH合成载铁碳吸附剂的过程。炭化后的废旧轮胎被夹在石墨电极之间，并施加100 V的脉冲电压（脉冲宽度0.6 s），引发强烈的焦耳加热。这一过程产生的瞬时温度超过2000 K，并伴有可见光发射，表明反应条件极为剧烈。随后以200 K/s的速率冷却约10 s。在此快速热循环过程中，材料发生非晶化

结论

本研究利用FJH技术从废旧轮胎碎片中合成了新型载铁碳吸附剂，并证明了其去除水中PSNPs的有效性。FJH衍生的吸附剂具有层状结构，球形Fe纳米颗粒均匀分布在石墨烯层间。该载铁吸附剂具有介孔结构、高度石墨化以及强疏水性。优化后的载铁吸附剂表现出优异的去除性能

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的财政支持：国家自然科学基金（项目编号：42477263）、河北省自然科学基金（项目编号：D2025202006）、天津市自然科学基金（项目编号：23JCYBJC00940）、河北省中央政府引导的地方科技发展基金（项目编号：236Z7301G）。