《Journal of Hazardous Materials》：Plant-Based Fiber Filter Layers Enabling Simultaneous Polystyrene Nanoplastics Removal and In Situ Hydrophobic Paper Fabrication
编辑推荐：
摘要纳米塑料因其固有的毒性以及与其它污染物的协同作用，对水生生态系统和人类健康构成了严重威胁。本研究开发了一种以植物纤维为基材的共过滤系统，并加入明矾作为助留剂，通过简单工艺高效去除水溶液中的聚苯乙烯纳米颗粒。该工艺的去除效率高达98.32%。通过对材料进行表征并结合密度泛函理论
摘要
纳米塑料因其固有的毒性以及与其它污染物的协同作用，对水生生态系统和人类健康构成了严重威胁。本研究开发了一种以植物纤维为基材的共过滤系统，并加入明矾作为助留剂，通过简单工艺高效去除水溶液中的聚苯乙烯纳米颗粒。该工艺的去除效率高达98.32%。通过对材料进行表征并结合密度泛函理论模拟发现，植物纤维与聚苯乙烯纳米塑料之间的高效结合源于范德华力和静电相互作用的协同作用。此外，经过热处理后，这种过滤层衍生的纸张具有优异的疏水性，其水接触角为120°，抗水渗透性为1759.8?s，这一性能可与传统施胶工艺制成的纸张相媲美，而且还能在湿干循环和紫外线照射下保持结构稳定。总体而言，这项研究表明，基于植物纤维的共过滤系统不仅能高效去除水环境中的聚苯乙烯纳米塑料，还能为原本亲水的纸张基底赋予持久的疏水性能，从而为符合清洁生产理念的可规模化绿色制造策略提供了可能。
引言
微/纳米塑料由于其持久性、广泛分布以及潜在的生态和健康风险，已成为全球关注的新兴污染物[1]、[2]。现有研究显示，这些塑料颗粒不仅会在水环境中长期迁移和积累，还可能通过食物链传递，持续威胁生物多样性、生态平衡和人类健康[3]。与微塑料相比，纳米塑料由于颗粒尺寸更小、比表面积更大、界面反应性更强，因此具有更高的移动性和环境风险，更容易与生物体及生物界面发生相互作用并被吸收[4]。
目前去除水中纳米塑料的方法主要包括过滤、吸附、絮凝沉淀、催化降解和生物处理等[5]、[6]。其中，过滤因其简单、成本低且适用范围广，被视为一种很有前景的方法[5]。然而，目前用于去除纳米塑料的许多吸附剂仍主要侧重于污染物的清除，而如何处理被固相捕获的纳米塑料、对其进行最终处置或加以有效再利用等问题仍未解决。此外，这类吸附剂在复杂的水环境、重复使用以及环境暴露条件下的长期稳定性方面也存在局限[7]、[8]、[9]。另外，对于能够在去除纳米塑料的同时实现材料功能化并提升其价值的应用方法，目前研究的力度相对不足[10]。因此，开发能够同时去除纳米塑料并将其转化为功能性原料的清洁生产技术，对于实现可持续制造具有重要意义。
近年来，在纳米塑料去除技术方面的进展凸显了生物质衍生过滤材料的巨大潜力[11]。尤其是以纤维素为基础的多孔结构，包括气凝胶、泡沫、膜和纤维网络等，通过物理截留、静电吸引和界面相互作用等多种机制，展现出高效的纳米塑料捕获能力[12]、[13]、[14]、[15]。例如，有研究指出，基于纤维素纤维的过滤系统能够高效去除纳米塑料，并且由于其分级多孔结构和坚固的纤维网络，能在水环境条件下保持稳定的性能[16]。此外，新兴的植物纤维基过滤系统也因其天然的纤维结构以及在水中易于加工的特性，显示出在可规模化、低成本去除纳米塑料方面的巨大潜力[17]。
与纳米纤维素气凝胶或化学改性膜等经过特殊处理的纤维素材料相比，本研究选择了漂白软木针叶木浆，因为其化学成分简单、可再生、具有生物相容性、可生物降解、成本低廉、工业应用成熟，且在水基体系中易于加工[17]、[18]。作为一种高度提纯的造纸原料，它主要由纤维素构成，非纤维素成分极少，这有助于更直观地分析污染物去除过程中的界面相互作用。此外，其较高的长径比有利于在过滤过程中形成相互连接的纤维网络[19]。值得注意的是，其表面富含羟基，可通过氢键和静电作用与污染物形成较强的结合力[20]。
在自然水环境中，纳米塑料通常会因阴离子、表面活性剂和天然有机物的吸附而带上有稳定的负电荷[21]、[22]。植物纤维在水环境中通常也表现出负的ζ电位，这使得它们难以直接保留纳米塑料。为了解决纤维过滤系统中的这一缺陷，人们通常会添加一些能够调节电荷或增强保留能力的添加剂，以提高过滤过程中颗粒与纤维之间的结合力。在这方面，明矾或聚铝氯化物等铝盐作为传统添加剂，被广泛用于水处理和造纸行业，有助于促进颗粒的聚集和保留[23]。
与此同时，亲水的-OH基团的高密度使得基于纤维的纸张具有天然的亲水性，这限制了其在需防潮湿环境中的应用[24]。在传统造纸过程中，通常会在成纸前添加烷基酮二聚体或松香基化学品等额外的疏水施胶剂来解决这一问题[23]。这些施胶剂通过吸附和原位化学作用，固定在纤维表面，形成疏水的烷基链或疏水区域，从而降低纤维网络的表面能，抑制水分渗透。然而，这些添加剂不仅会增加造纸成本，还会成为造纸厂废水中的主要污染物来源。
本文提出了一种一步法明矾辅助植物纤维过滤工艺，将水中聚苯乙烯的去除与过滤层衍生纸张的就地疏水化相结合。具体而言，只需将植物纤维悬浮液、明矾助留剂和聚苯乙烯分散体直接混合在一个水相系统中，然后进行真空过滤和热处理。在这种设计中，明矾产生的正电荷物质有望增强聚苯乙烯在植物纤维网络中的保留，而被保留的聚苯乙烯颗粒则可作为后续纸张功能化的疏水组分。随后，研究人员研究了该工艺的聚苯乙烯去除效果、纸张的润湿性变化、结构演变，以及其在湿干循环和紫外线老化条件下的耐久性，并通过扫描电子显微镜、微型CT、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、ζ电位分析以及密度泛函理论计算，进一步阐明了其中的相互作用机制。这项研究为选择性去除和水中的聚苯乙烯并加以利用提供了一种双功能策略，将其从持久性污染物转变为可回收资源，从而符合清洁生产的核心理念。
章节节选
材料
化学浆纤维由亚洲符号（山东）纸业有限公司提供。该纸浆是按照GB/T 1678-2017标准生产的漂白硫酸盐木浆。直径分别为20、30、50、100、200、300、500和1000?纳米的聚苯乙烯微球则由江苏志川科技有限公司提供。直径为12.5?厘米、过滤速度较慢、最大孔径为10-15微米的定性滤纸，由抚顺民正滤纸厂提供。这种滤纸主要用于
过滤层衍生纸张去除聚苯乙烯的性能
如图2a至2c所示，通过扫描电子显微镜对对照样品（P5000）的形态进行了分析，结果显示其具有相互连接的微纤维网络，且具有天然的亲水性。如图2d所示，植物纤维对聚苯乙烯的去除效率整体较高，在所研究的各个粒径范围内均超过70%。这一整体性能是由多孔纤维网络内的物理传输作用以及较弱的界面相互作用共同决定的。同样的机制也解释了
结论
本研究开发出一种基于植物纤维的过滤器，能够高效去除水环境中不同尺寸范围的聚苯乙烯纳米塑料。明矾作为助留剂，可通过调节表面电荷来增强颗粒的保留能力，而颗粒的分离则依赖于结合质量传递动力学和固液界面相互作用的多种尺度协同机制。成品后的热处理能够促使纤维网络发生重构，从而使纸张具备稳定且持久的
研究意义说明
随着纳米塑料在水环境中的不断积累，我们需要制定相应的处理策略，不仅要分离这些持久性污染物，还要妥善处理收集到的塑料残留物。本研究提出了一种明矾辅助的植物纤维悬浮过滤工艺，该工艺不仅可以去除水中的聚苯乙烯纳米塑料，还能将这些塑料作为功能性成分融入到形成的过滤层衍生纸张中，从而提高纸张的抗水渗透性及表面接触性能
CRediT作者贡献说明
谢海娇：软件应用。陈志成：写作——审稿与编辑、资源获取、项目管理、方法设计、资金申请。张明瑞：写作——初稿撰写、可视化分析、结果验证、实验研究、正式分析、数据整理、概念构建。王兆：课题指导。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
Mingrui Zhang|Zhao Wang|Haijiao Xie|Zicheng Chen
中国吉林省吉林市东北电力大学化学工程学院，邮编132012
