综述：PET废物资源化为用于废水污染物去除的高级吸附剂

《Journal of Applied Polymer Science》：Valorization of PET Waste Into Advanced Adsorbents for Pollutant Removal From Wastewater: A Review

　　

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一种广泛使用的热塑性聚合物，由于其高产量、抗降解性以及在陆生和水生生态系统中的持久性，造成了日益增长的环境负担。虽然传统上被视为污染物，但PET的化学成分富含碳且矿物杂质少，使其成为合成碳质吸附剂(carbonaceous adsorbents)的宝贵原料。本综述研究了将PET废物转化为用于废水处理应用的高性能吸附剂(high-performance adsorbents)的新兴策略，重点介绍了可规模化、节能的方法，如热解(pyrolysis)、水热碳化(hydrothermal carbonization, HTC)、催化转化(catalytic conversion)和溶剂热加工(solvothermal processing)。特别关注PET衍生的多孔碳(porous carbons)、纳米复合材料(nanocomposites)和金属有机框架(MOF)基材料，这些材料具有高表面积、定制孔结构以及对多种污染物（包括药物(pharmaceuticals)、内分泌干扰物(endocrine disruptors)、染料(dyes)、农药(pesticides)和重金属(heavy metals)）的显著吸附能力。通过整合最新进展，本综述强调了减轻塑料污染和增强废水修复技术的双重环境效益。通过升级回收(upcycling)将PET增值转化为功能性吸附剂，为实现环境工程中的循环经济原则提供了可持续、经济有效的途径。

**1 Introduction**
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一种高结晶度热塑性聚合物，由乙二醇与1,4-苯二甲酸（对苯二甲酸）缩聚而成，广泛应用于食品工业。PET虽无毒，但因其高累积体积和强抗降解性，在室温大气条件下约需500年才能降解，造成显著处置挑战。为减少污染，已提出化学回收、热处理（如焚烧和热解(pyrolysis)）及生物降解等方法，但大多涉及聚合物破坏并降低产品质量。升级回收(upcycling)作为一种低成本、高附加值的方法，利用塑料废料生产性能可匹敌甚至优于原料的材料，已被提议替代传统回收。PET因高碳含量和无矿物杂质，成为合成碳微球、碳纳米管和活性炭等高价值碳基材料的前驱体。本综述系统整合了PET增值材料在去除废水中各类污染物（包括药物、个人护理产品、重金属和染料等）方面的最新进展，强调吸附法的高效性、多功能性和经济性，并介绍将PET转化为高价值碳质吸附剂的技术，旨在促进可持续废水处理技术发展，助力环境保护和公共健康。

**2 Pollutants in Wastewater: Traditional and Emerging Challenges**
废水中的污染物涵盖传统污染物（如营养物、有机物和重金属）和新兴污染物（包括药物残留、个人护理产品和内分泌干扰物）。新兴污染物因早期缺乏识别技术而近年才受关注，现有超过1000种，可分为16类，如藻类毒素、增塑剂、阻燃剂、药物和农药等。尽管环境浓度低（ng/L或μg/L），但广泛检出显示其生态影响，包括慢性毒性和内分泌干扰。常规废水处理工艺（包括三级处理）无法完全去除新兴污染物，导致其在环境中持续存在。传统污染物如重金属和染料以其持久性、毒性和生物累积性为特征，对水生态系统和人类健康构成显著风险。染料因复杂稳定结构抗生物降解，重金属通过食物链快速生物累积，因此处理含染料和重金属的工业废水至关重要。

**3 PET As a Precursor to Adsorbent Materials for Wastewater**
吸附技术因通用性、低成本和易操作性成为去除废水中污染物的高效物理化学方法。吸附剂的选择取决于效率、再生能力及制备成本。将PET废物增值为先进吸附材料是新兴领域，多数研究聚焦于将PET转化为活性炭吸附剂，少数涉及溶剂改性或纳米复合材料制备。

**3.1 Turning PET Into Carbonaceous Materials**
热分解和活化是转化PET为碳质材料的最常用方法，所得材料具有高孔隙率和扩展的颗粒间表面积，适合废水处理。活性炭可通过多种前驱体制备，包括废弃物、海洋材料、土壤与矿物等。

**3.1.1 Thermal and Chemical Activation**
热过程如热解(pyrolysis)在惰性或反应性气氛（如CO₂或N₂）中加热PET，产物孔结构和吸附性能受温度、升温速率和停留时间显著影响。化学活化使用K₂CO₃、ZnCl₂或H₃PO₄等活化剂，增强表面积和孔结构开发，特别有利于针对有机染料和药物的微孔和介孔碳制备。

**3.1.2 Hydrothermal Carbonization**
水热碳化(HTC)是一种低能耗过程，在亚临界水条件（180–250°C）下处理PET产生水热炭(hydrochar)。HTC无需惰性气氛，可持续性更强，所得水热炭可进一步功能化以高效吸附重金属和有机污染物，并可用于合成碳复合材料以通过外部磁场实现吸附剂回收。

**3.1.3 Solvothermal Methods**
溶剂热法使用高温高压溶剂环境将PET分解为具有可控纳米结构的碳质材料，可合成石墨碳、类石墨烯材料或碳点。掺入氮、硫等杂原子增强表面功能，改善对药物和农药等污染物的选择性，并允许调控孔结构和稳定性。

**3.1.4 Microwave-Assisted Pyrolysis**
微波辅助热解利用微波辐射快速分解PET产生多孔碳，其独特加热机制确保均匀快速热分解，相比传统热解缩短时间。通过调节微波功率和暴露时间可精确控制材料孔隙率和表面化学。

**3.1.5 Catalytic Conversion**
催化热化学转化使用镍、钴或二茂铁等金属催化剂促进PET分解为高级碳结构（如纳米管、富勒烯和石墨烯衍生物）。催化剂降低反应温度并加速碳形成，同时控制形态和表面性质。该方法可在较低温度下获得高性能吸附剂，用于药物和内分泌干扰物等新兴污染物去除。

**3.2 Composites and Advanced Materials**
PET衍生吸附剂与先进材料结合以增强性能，包括将PET作为MOF的碳前驱体、与生物聚合物共混制备聚合物复合材料，以及用纳米颗粒（如氧化铁、纳米零价铁(nZVI)或二氧化钛）功能化以增加光催化或磁性特性。铁磁性Fe₃O₄的添加便于吸附后通过外部磁场分离，无需过滤或离心。碳纳米管(CNTs)因其空心介孔结构和高表面积可用作吸附剂。多孔碳化合物源于MOF，具有高结构稳定性、表面积和疏水性，吸附能力常超过原始MOF和商业活性炭。电纺丝技术可制备均匀高表面积纳米纤维膜，用于固定酶以提高稳定性和可重复使用性。

**4 PET-Based Carbonaceous Materials for Removing Pollutants From Wastewater**
大量研究报道了将PET废物转化为高价值碳质材料用于污染物去除的进展。以下按污染物类型总结。

**4.1 Active Pharmaceutical Ingredients**
PET衍生吸附剂广泛用于药物化合物去除（如双氯芬酸、四环素和头孢氨苄）。活性炭通过热解和化学活化获得高吸附容量，主要依赖微孔性和芳香结构促进π–π相互作用和氢键。铁基物种的引入赋予磁性，增强吸附能力和可回收性。复合材料和MOF基系统（源自PET解聚获得的对苯二甲酸作为有机配体）具有高表面积和可调孔隙，支持阳离子–π相互作用、氢键和孔填充等机制，性能优于未功能化碳。然而，多数研究缺乏长期稳定性和再生循环系统评估。

**4.2 Other Organic, Emerging Pollutants**
对于新兴有机污染物，传统活性炭适用于简单化合物（如苯酚），但复杂污染物（如药物、个人护理产品和内分泌干扰物）更依赖于MOF衍生材料、复合材料和功能化系统。这些材料结合高表面积、可调孔结构和多种相互作用机制（氢键、静电作用和π–π堆积），吸附性能提升。电纺PET基膜可作为酶固定平台，实现吸附与催化降解双重功能，拓展了PET衍生材料的应用。研究表明，新兴污染物吸附需平衡孔隙率与化学功能性，杂化系统成为向多功能吸附剂发展的趋势。

**4.3 Dyes**
染料是PET衍生吸附剂研究中最多的一类，常见模型分子包括亚甲基蓝、甲基橙和罗丹明B。化学活化（如K₂CO₃或ZnCl₂）所得活性炭性能最优，吸附容量显著超过商业活性炭。PET衍生的类石墨烯和活化石墨烯材料对阳离子染料效果突出，主要依赖静电吸引和π–π相互作用。电纺纤维、聚合物复合材料和MOF基吸附剂在选择性、机械稳定性和可重复使用性方面有优势，但吸附容量通常低于高活化碳。染料吸附主要由表面积和孔结构控制，但表面化学和功能化对选择性吸附至关重要。

**4.4 Ions**
无机离子去除中，表面功能化比孔隙率更关键。碳化PET材料可通过静电作用和表面络合吸附重金属离子（如Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺），而化学改性（如磺化石墨烯复合材料和胺改性PET纤维）通过引入路易斯酸碱相互作用或螯合机制显著提升吸附容量。MOF衍生材料对阴离子（如砷酸盐、磷酸盐和硫酸盐）去除高效，得益于高孔隙率和金属配位位点。离子吸附主要受表面化学、电荷分布和特异性相互作用支配，包括静电吸引、表面沉淀和络合形成。总体而言，热化学路线（特别是化学活化）产生最高表面积（>1000 m² g^?1），而水热/溶剂热路线虽表面积较低但表面功能性更强。PET衍生吸附剂展示出良好的可重复使用性，但多数研究仅涉及少量循环，缺乏长期稳定性评估和实际条件下性能验证。

**5 Challenges and Future Perspectives**
尽管PET废物转化吸附剂取得显著进展，但技术经济和环境障碍阻碍广泛应用。热解和化学活化在工业上最先进，但高操作成本（每吨200–300美元）和化学废物管理构成挑战。热解需500–800°C惰性气氛，能量密集型，仅实现30–50% PET回收率。化学活化（如ZnCl₂或KOH）使能耗增加20–30%。微波辅助热解在欧亚试点设施中显示规模化潜力，处理时间缩短50%，能效提高30%。水热碳化(HTC)能耗比热解低约40%，但水热炭孔隙率较低（200–400 m² g^?1），吸附效率受限。催化热解（如镍基催化剂）可将温度降至400–500°C，碳产率维持60–70%。杂化方法（如HTC结合化学活化）有望平衡能耗和规模化。污染风险包括PET中杂质或添加剂影响吸附性能，以及残留化学品或副产物浸出问题。吸附剂可重复使用性有限，多次循环后容量下降，且存在微塑料释放风险。经济层面，实验室成果向工业应用转化需优化工艺、与现有废水处理系统整合及成本效益分析。未来研究应探索酶降解和微波辅助等技术以及生命周期评估。最终处置方面，耗尽吸附剂可作厌氧消化添加剂以增强沼气生产，并进一步转化为生物炭，实现资源回收和循环经济。环境影响和经济性高度依赖加工路线选择，传统热化学方法能耗高，而水热、光催化或酶法虽能耗低但效率可能受限。现有文献缺乏全面技术经济和生命周期评估，这将是推动技术工业化的关键。

**6 Conclusions**
PET废物增值为功能性吸附材料是应对塑料污染和水污染复杂化的可持续策略。PET衍生材料（特别是活性炭、类石墨烯结构和MOF基复合材料）在各类污染物去除中展现出显著吸附性能，得益于可调孔隙率、表面功能和低原料成本。但关键挑战包括缺乏标准化评价方法、合成路线规模化验证不足、长期稳定性评估缺失以及潜在环境风险未充分探讨。未来研究应优先发展可规模化低成本合成路线、制定标准测试协议、整合混合多功能系统（如磁性、光催化或酶平台）以及开展全面可持续性评估。PET升级回收在循环经济和环境修复框架中意义重大，但实现从实验室到实际应用的跨越仍是关键挑战。