综述：通过吸附去除水中的纳米塑料：碳基材料合理设计的进展与展望

《Process Safety and Environmental Protection》：Removal of nanoplastics from water by adsorption: Advances and perspectives for the rational design of carbon-based materials

　　•每种纳米塑料的物理性质决定了其在水生系统中的行为表现。•活性炭的质地与化学性质影响着其吸附能力。•纳米塑料的特性为碳材料的优化设计提供了指导。•吸附剂的再生过程存在技术及环境方面的限制。•实验上的种种挑战影响了吸附效果的比较性与可规模化应用。

引言
工业发展以及不可持续的消费模式导致了大量有毒污染物进入陆地和水生生态系统，而塑料污染则是21世纪最为持久且复杂的威胁之一（Michler-Kozma等人，2022；Peer Muhamed Noorani等人，2024）。全球塑料产量已超过每年430百万吨（Mahendran和Ramaswamy，2024；Z Zhang等人，2024），这得益于塑料在日常生活中的广泛使用（Rodrigues等人，2019）。塑料废物的缓慢降解会导致其破碎，进而形成微塑料（尺寸为1–5000微米）和纳米塑料（尺寸小于1微米），尤其在水生环境中更为常见（Kumar等人，2024；Mahapatra等人，2024）。

纳米塑料这一类别日益引发科学界的关注，可分为初级纳米塑料（工业制造而成）（Arenas等人，2021；Liu等人，2023）和次级纳米塑料（由较大塑料碎片分解而来）（Karimi Estahbanati等人，2021；Liang等人，2025）。从性质上看，纳米塑料具有较高的表面积与体积比，同时还具备较高的极性以及较高的辛醇-水分配系数（log Kow值）（Chen等人，2023；Cunningham等人，2023；Shupe等人，2021；Xu等人，2024a）。

此外，这类物质还具有较高的移动性和表面反应性，不仅能作为重金属和持久性有机污染物的载体，还会对水生生物及人类造成毒性影响（Arenas等人，2021；Karimi Estahbanati等人，2021）。

纳米塑料主要通过污水处理厂排放的废水进入淡水水体，而现有的传统处理工艺难以有效去除这类新兴污染物（I. Ali等人，2021）。全球范围内，不同地区的纳米塑料浓度差异很大，具体数值介于0.01以下到1000微克/升以上之间（见补充材料表S1），这一差异取决于地理位置、水体状况以及所采用的分析方法（Okoffo和Thomas，2024a；Sullivan等人，2020；Xu等人，2022；Zhang等人，2023）。

澳大利亚的Okoffo和Thomas（2024b）在污水处理出水样中检测到了多种类型的纳米塑料，包括聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙66以及尼龙6，其浓度范围在0.04至7.3微克/升之间。这一结果与其他研究者的发现一致，例如中国のXu等人（2023）和Zhou等人（2019）检测到的纳米塑料浓度也在0.02至9.963微克/升之间。在澳大利亚和中国的一些饮用水样本中也检测到了多种类型的纳米塑料，其浓度接近1.17微克/升（Okoffo和Thomas，2024a；Xu等人，2024b）。而Sullivan等人（2020）则在威尔士的Tawe河中检测到了高达241.8 17微克/升的纳米塑料浓度。

现有研究普遍认为，要减少水体中的纳米塑料含量，就必须通过引入先进的处理技术（三级/四级处理技术），以经济高效且可持续的方式从源头减少这些污染物通过污水处理厂排放（Chen等人，2022；Krishnan等人，2023）。在用于去除污水中新兴污染物的各类技术中，已有部分技术被用于处理纳米塑料，其中包括物理处理方法，如混凝/絮凝、沉淀、过滤和吸附；以及化学处理方法，尤其是高级氧化法和光催化法（I. Ali等人，2023；B Wang等人，2024）。除吸附外，其他物理处理方法对较大尺寸的纳米塑料（大于10微米）更为有效（Mustapha等人，2024）。尽管光催化法被认为是一种成本低、环境影响小的技术，但在可见光作用下，大多数纳米塑料只能发生部分降解，这限制了该技术的应用效率（I. Ali等人，2021）。此外，高级氧化法，尤其是紫外线氧化法，虽然能有效分解塑料聚合物，但会产生有毒副产物，同时还需要较高的投资成本、运营成本和能源消耗，因此在发展中国家难以大规模推广（Adeleye等人，2023）。相比之下，吸附法因其低成本、可逆性以及适应性强而被认为是最有效且最具可持续性的处理策略（Ganie等人，2021；Kim等人，2025；Zhou等人，2025）。

近期的实验研究进一步拓展了用于去除纳米塑料的吸附剂种类，人们开发出了基于海藻酸钠及相关生物聚合物基质的可生物降解三维膜胶囊。例如，经羟乙基二膦酸修饰的海藻酸钠胶囊、蒙脱石增强的聚乙烯亚胺功能化海藻酸盐混合基质胶囊以及海藻酸钠-聚多巴胺混合基质胶囊，都凭借其多功能活性基团、膨胀辅助捕获作用、静电相互作用、氢键作用、配体或阳离子交换作用、疏水相互作用，以及在某些情况下的π相互作用，展现出了良好的纳米塑料去除性能（Ali等人，2026a；Ali等人，2026b；Wang等人，2026）。这些研究还强调了在设计用于实际纳米塑料治理的吸附剂时，可重复使用性、生物降解性、生物相容性以及在实际水环境中的适用性的重要性。

吸附过程的多样性与高效性推动了各类吸附材料的研发，包括金属有机框架、金属氧化物、沸石、双层氢氧化物以及气凝胶等。然而，尽管有了这些进展，传统的碳基吸附剂——即活性炭和/或生物炭，依然因成本低廉且技术成熟度较高而更具优势（Salatein等人，2025；Y. Wang等人，2024）。此外，这类材料可根据不同应用需求进行灵活调整，其孔结构极为发达，比表面积通常超过1000平方米/克，而且通过热处理或化学处理还可进一步优化，从而增加活性位点的数量并提升其可及性（Alvarez-Montero等人，2025；Mehmood等人，2023；X. Zhang等人，2024；Zhu等人，2022）。此外，碳基材料的表面易于功能化，可通过引入不同的官能团（如羟基、羧基、氨基等）来调节其极性和表面电荷，进而增强其与吸附对象的相互作用（Mehmood等人，2023；H. Zheng等人，2024）。正是由于这些特性，这类材料被广泛应用于多种环境治理领域，比如重金属吸附、药物吸附、全氟和多氟烷基物质吸附以及农药吸附等（Zhang等人，2025；Mabalane等人，2024；Liu等人，2024；Zieliński等人，2022）。

近年来，已有不少综述文章探讨了使用不同吸附剂去除微塑料和纳米塑料的研究进展（Ali等人，2021；Ali等人，2023b；Ali等人，2023a；Ali等人，2024；Ali等人，2025a；Ali等人，2025b；Ali等人，2025c；Das等人，2024；Li等人，2023；Liu和Khor，2024；Mohan等人，2024；B Wang等人，2024；Xu等人，2025；Yu等人，2024；Yusuf等人，2025；H. Zheng等人，2024），其中仅有两篇聚焦于碳基材料。在第一篇综述中，B Wang等人（2024）全面总结了碳基吸附剂在去除微塑料和纳米塑料中的应用情况，介绍了各类相关材料、表面改性策略以及吸附机制。他们分析了碳纳米管、石墨烯、活性炭等多种材料的应用方式，以及各种处理和改性手段如何通过强化不同吸附机制来提升材料的性能。此外，他们还研究了pH值、水中的离子浓度以及溶解有机物等环境因素对吸附过程的影响，并介绍了目前常用的吸附剂再生方法。在第二篇综述中，H. Zheng等人（2024）则着重探讨了表面工程在提升吸附效率与选择性方面的作用。他们特别介绍了近年来在表面功能化方面的进展，阐述了表面官能团的作用及其与不同类型聚合物之间的相互作用，同时还讨论了用于描述这类污染物吸附行为的各类动力学模型和等温线模型。

为了更清晰地定位本综述在这一快速发展领域的位置，表1将其研究范围与以往关于利用碳基及其他新型吸附剂去除微塑料/纳米塑料的综述进行了对比。如表1所示，以往的综述从多个互补角度对微塑料和纳米塑料的去除进行了深入研究，涵盖碳基吸附剂、新型吸附剂家族、生物聚合物基材料、机器人及机器人驱动的治理系统、过滤技术、混凝技术、污水处理厂中这类污染物的存在与迁移规律、吸附剂再生方法、实际应用中的限制因素以及市场障碍等各个方面。这些研究具有重要意义，因为它们有助于明确整个技术发展的整体格局，并识别出与工艺性能、实际水环境适用性、可规模化应用、二次污染以及技术推广相关的各种挑战。

不过，这些综述的分析重点与本综述存在显著差异。那些研究生物聚合物基材料的综述主要关注材料的生物降解性、生物相容性、安全性以及使用寿命问题；研究机器人及机器人驱动系统的综述则侧重于基于运动的污染物捕获/降解机制、推进装置、回收方式以及市场障碍；关于过滤和混凝技术的综述则以工艺流程为核心，重点探讨孔径大小、膜/滤材的结构、污染积聚问题、絮体形成机制、电荷中和以及实际操作中的问题；而以污水处理厂为研究对象的综述则更关注这类污染物在污水处理厂中的存在情况、迁移路径、去除方法、污泥处理问题以及整个处理系统的性能表现。即便是那些涵盖范围较广的吸附剂综述，也大多只是对各类材料进行分类并总结其去除机制，而没有针对碳基吸附剂的设计提出专门的评价标准。

这种差异非常重要，因为仅从去除效率、总表面积或官能团的存在与否来看，是无法合理解释碳基材料对纳米塑料的吸附行为的。实际上，吸附性能受多种因素的共同影响，包括聚合物的种类、颗粒大小、疏水性、表面电荷、化学结构、添加剂的使用、老化或电晕效应的产生、吸附剂的孔隙结构、孔隙的可及性、零电荷点位置、表面功能化程度、芳香结构域的存在、金属元素的掺入，以及水环境的各项条件，如pH值、离子强度、溶解有机物浓度以及其他竞争性物质的存在。因此，本综述将纳米塑料的物理化学性质作为设计碳基吸附剂的出发点。通过“吸附剂-吸附对象-水环境”这一分析框架，可以更系统地理解吸附机制、吸附剂再生的限制因素、不同实验结果之间的可比性、标准化的性能评价指标，以及这类吸附剂在复杂水环境中的应用可行性。

为弥补现有研究的不足，本综述对2015年至2025年间发表的关于利用碳基材料吸附纳米塑料的学术文献进行了系统梳理，具体的筛选策略如下。首先，本综述分析了纳米塑料和碳基吸附剂的各项物理性质，这些性质决定了吸附对象与吸附剂之间的亲和力。第2.1节探讨了不同聚合物的物理化学特性，如尺寸、log Kow值、化学组成、结构、表面电荷等，这些特性决定了聚合物在水中的行为及其与吸附剂的相互作用；第2.2节则分析了吸附剂材料的结构与化学性质，如比表面积、孔径与孔容、表面官能团等，这些因素是决定吸附过程效果的关键。第2.3节概述了目前已发表的相关实验研究成果，而第3节则根据聚合物的种类对吸附机制进行了系统分类，提出了用于设计能够高效选择性地去除复杂水环境中纳米塑料的理想吸附剂的标准。随后在第4节中，本综述对能够提升吸附对象与吸附剂之间相互作用的各种改性策略进行了深入分析，同时在第5节中探讨了旨在提升吸附剂吸附容量并实现其重复使用的再生方法。

为确保本综述中所纳入的研究具有透明性和可重复性，我们采用了结构化的文献检索方法。检索工作使用了Scopus、Web of Science Core Collection、ScienceDirect以及Google Scholar作为辅助数据源。检索时间范围定为2015年1月至2025年11月，这一时间段的选择是为了涵盖与水生环境中的纳米塑料相关的分析方法、作用机制以及吸附技术方面的快速发展。

在检索策略中，我们结合了与污染物、去除过程以及吸附剂类型相关的关键词。主要的检索语句包括了以下关键词的组合：“纳米塑料”、“nano-plastics”、“微纳塑料”、“塑料纳米颗粒”、“吸附”、“去除”、“捕获”、“保留”、“水”、“废水”、“水介质”、“碳基吸附剂”、“活性炭”、“生物炭”、“水合炭”、“磁性生物炭”、“碳纳米管”、“石墨烯”以及“表面改性”。布尔运算符的使用方式如下：（“nanoplastic*” OR “nano-plastic*” OR “plastic nanoparticle*” OR “micro-nanoplastic*”）AND（“adsorption” OR “removal” OR “capture” OR “retention”）AND（“carbon-based adsorbent*” OR “activated carbon” OR “biochar” OR “hydrochar” OR “graphene” OR “carbon nanotube*” OR “magnetic biochar”）AND（“water” OR “wastewater” OR “aqueous media”）。纳入标准为：(i) 用英语撰写的经过同行评审的文章；(ii) 研究水中或水相环境中的纳米塑料或微/纳米塑料的文献；(iii) 提供有关纳米塑料的存在、物理化学性质、检测方法、吸附机制或去除技术相关信息的实验性或综述类文章；(iv) 报告碳基吸附剂、操作条件以及至少一项性能指标（如吸附容量、去除效率、动力学行为或再生能力）的实验性吸附研究。那些仅聚焦于大于1微米的微塑料、非水相介质、与碳基系统无机制关联的非碳基吸附剂，或是方法细节不足的文章均被排除在比较分析之外。筛选过程包括去除重复文献、标题和摘要筛选、全文评估，以及对高度相关论文的追溯引用分析。经过筛选后，共有158篇文献被纳入该综述的最终参考文献库。在这些文献中，有22篇针对碳基吸附剂对纳米塑料的吸附或截留作用展开的实验性研究被选为详细比较分析的对象。

段落摘录：
淡水系统中纳米颗粒的物理化学特性
纳米颗粒具有特定的物理化学性质，这些性质不仅影响其移动性，还决定了它们与其他污染物及水生生物的相互作用（Gon?alves和Bebianno，2021；S. Wang等人，2024）。这类物质在水生生态系统和饮用水中的检出率不断上升，这凸显了问题的严重性，也表明有必要了解其成分、行为特征及毒性（Hutton等人，2024；Jayavel等人，2024；Kochanek等人，2025；Okoffo和Thomas，2024a；Xu等人，2024b）。
碳基材料吸附纳米塑料的机制
纳米塑料在碳基材料中的吸附受多种复杂的吸附剂-吸附质相互作用机制调控，这些机制既与各类塑料聚合物的固有属性有关，也取决于吸附剂的物理化学特性。与其他类型的污染物类似，纳米塑料的吸附并非由单一主导机制控制，而是多种相互作用共同作用的结果，这些相互作用共同提升了纳米塑料的吸附效果，因此对相关机制的研究十分重要。
碳基吸附剂的表面改性策略
碳吸附剂的性能在很大程度上取决于其改性方法（即活化或表面改性方式），这些方法决定了材料的化学性质和形态，进而影响其在不同操作条件下的吸附效果（Alvarez-Montero等人，2025；Magid等人，2021）。研究表明，经化学活化处理的活性炭对聚苯乙烯的吸附容量可达3.26毫克/克（Xing等人，2023），而通过热解等物理方法活化的活性炭则……
碳基吸附剂的再生、再利用与可持续性
评估碳基吸附剂去除纳米塑料的技术性能时，不能仅依据吸附容量或去除效率这两项指标。尽管这些参数对于在实验室条件下比较不同材料至关重要，但它们不足以判断某种吸附过程能否真正转化为可持续的水处理技术。在此背景下，可持续性评估还需考虑原料的来源、废弃物的回收利用情况……
纳米塑料吸附过程中面临的实验挑战
尽管在纳米塑料吸附领域已取得一定进展，但仍存在一些关键的实验难题，这些问题限制了研究结果的可比性，也不利于将研究结果推广到复杂的水体环境中。由于纳米塑料的尺寸极小、电子密度低且容易形成聚集体，因此对其的检测和/或定量分析面临很大困难，这就需要运用显微镜、质谱仪、色谱法、光谱法等先进的检测技术……
未来展望
今后针对碳基吸附剂用于去除纳米塑料的研究，应超越单纯的逐步验证，朝着具备预测性、结构化且集成化的治理方案方向发展。虽然标准的检测方法、可重复的吸附实验流程以及在真实或模拟水体中的验证工作依然十分重要，但现在应将这些方面与能够预判何时会出现吸附、聚集、异质聚集、孔隙堵塞或解吸抗性等现象的设计规则相结合。这一转变对于……
结论
近年来，由于纳米颗粒尺寸极小、移动性高，且其检测和/或定量分析难度较大，因此受到了众多研究人员的关注。这些局限性影响了人们对纳米颗粒在水生环境中的行为、迁移规律以及与其他污染物相互作用的了解，也使得不同研究结果之间的直接比较变得复杂。不过，通过分析不同纳米颗粒的物理化学性质，我们能够建立起合理的框架，为进一步研究……
CRediT作者贡献说明
Nikolt Stephanie Loor-Molina：概念构建、研究设计、形式分析、数据整理、初稿撰写、审稿与编辑；Angelo Noe Marquínez-Marquínez：研究设计、数据整理、审稿与编辑；Joan Manuel Rodríguez-Díaz：概念构建、审稿与编辑；Claudia Ulloa-Tesser：概念构建、审稿与编辑、研究指导；Ricardo O. Barra：审稿与编辑；Ximena García-Carmona：概念构建、写作。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
Nikolt Stephanie Loor Molina衷心感谢智利国家研究与发展机构（ANID）通过“国家博士奖学金[Doctorado Nacional 2024 – 21240222]”为他的康塞普西翁大学博士学习提供的支持。
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