综述：废咖啡渣及其衍生物作为生物吸附剂在废水处理与气体净化中的应用

《Sustainability》：Spent Coffee Grounds and Their Derivatives as Biosorbents in Wastewater Treatment and Gas Purification

　　

废咖啡渣（SCGs）是一种普遍存在且可再生的农业废弃物，已成为环境修复领域极具前景的生物吸附剂。本综述全面概述了SCG衍生材料在废水处理和气体净化中的应用。研究人员系统总结了其理化特性、对不同污染物的吸附性能及潜在机理。具体而言，详细讨论了原料SCGs的改性策略，包括化学改性（如脱脂/碱/酸/有机溶剂/金属氧化物处理）、热化学转化（如热解、水热碳化（HTC）和活化）以及与天然或合成材料（如壳聚糖、黏土矿物和农业/工业废弃物）复合材料的制备。这些方法有效优化了孔结构、丰富了表面官能团，并提升了选择性和吸附容量。特别关注了SCG衍生活性炭（AC）及复合材料在捕获气态污染物（如CO₂、H₂S、PH₃和VOCs）方面的应用。讨论了SCG衍生材料生产的技术经济分析（TEA），以评估其商业可行性和整体可持续性。最后，指出了关键的研究空白并提出了未来展望，强调吸附机理的阐释、合理的材料设计以及严格的技术经济与生命周期评估（LCA）。本综述强调了基于SCG的材料作为传统吸附剂低成本、高性能替代品的潜力，符合循环经济和环境可持续性的原则。

1. Introduction（引言）
工业化和城市化的快速发展导致大量无机（如重金属/类金属）和有机（如染料、抗生素和农药）污染物排放至生物圈。在众多修复策略中，吸附法因其操作简便、效率高且二次污染小而被公认为优越技术。传统活性炭（AC）虽具有发达的孔隙结构和高比表面积，但其高昂的活化成本及有限的选择性促使研究者探索可持续的替代材料。咖啡作为全球消费最广泛的饮品之一，其加工和消费过程产生大量废咖啡渣（SCGs），每年全球产生量约700万吨。SCGs具备均匀的粒度分布、多级孔结构和丰富的表面官能团，是制备先进碳质材料和功能复合材料的理想前驱体。本综述旨在系统关联SCGs原料特性与跨水相及气相环境的吸附性能，弥补现有研究将水处理和空气净化割裂的不足，并重点关注化学改性、热化学转化及复合物合成等关键预处理策略，同时结合技术经济分析评估其商业可行性。

2. Literature Search and Data Extraction（文献检索与数据提取）
研究人员于2026年2月系统检索了Web of Science、ScienceDirect和SpringerLink数据库，将“spent coffee ground”、“adsorption”和“removal”匹配文章标题、摘要和关键词。主要汇编近二十年的研究文献，同时纳入部分早期重要研究。从每篇入选文章中提取关键数据，包括吸附剂特性（如pH/零电荷点、孔结构及官能团种类与丰度）、吸附质特性（如形态、分子结构和疏水性）、SCG基材料的制备方法（如活化剂和复合组分）、吸附条件（如溶液pH、初始浓度、吸附剂用量和温度）以及所提出的吸附机理。研究有意聚焦于提供改性前后直接对比的文献，以隔离单一处理效果，为SCGs的资源化构建实用“工具箱”。

3. Raw SCGs（原料废咖啡渣）
3.1 Definition and Pretreatment（定义与预处理）
本综述中，“原料SCG”指除洗涤外未经历显著化学或结构改性的原生材料。洗涤旨在减少可能干扰吸附过程的可溶性杂质，但同时可能部分消除表面官能团。常用洗涤溶剂包括水（常温、加热或煮沸）及稀酸（如HCl）/稀碱（如NaOH），浓度通常不超过0.1 M。洗涤溶剂的选择显著影响吸附性能，例如，用0.1 M NaOH、0.1 M HCl、沸水和常温洗涤的SCGs对Cu(II)的吸附容量分别为13.33、12.34、8.04和4.79 mg/g，表明稀酸和稀碱比水更能有效去除化学结合的无机元素，并可通过与生物质的化学反应创造额外吸附位点。

3.2 Characteristics Related to Adsorption（与吸附相关的特性）
3.2.1 Pore Structure（孔结构）
不同研究中原料SCGs的织构性质差异极大，主要归因于咖啡豆品种、烘焙工艺和冲泡程序的固有差异。多数原料SCG样品的比表面积（SSA）和总孔容（PV）低于5 m²/g和0.1 cm³/g，但亦有研究报道了高于400 m²/g和0.2 cm³/g的异常值。介孔（2–50 nm）在原料SCGs中占主导，但微孔可能贡献超过60%的总比表面积。比表面积与粒径呈负相关，但直接比较不同粒径对二价金属离子吸附容量的研究表明，粒径影响较弱，较大颗粒也表现出可观的吸附能力。

3.2.2 Surface Functional Groups（表面官能团）
原料SCGs富含多种官能团，包括O-H、C-O、C=O、C-O-C、C=C、-CH₃、-CH₂-、N-H和S=O键。这些基团，尤其是含氧基团，调控表面酸性、极性和疏水性，导致对不同吸附质产生各异的吸附容量。

3.2.3 Surface Charge（表面电荷）
表面电荷通常以零电荷点（PZC）或Zeta电位表征，在给定溶液pH下控制吸附剂与离子型污染物之间的静电吸引或排斥。文献中原料SCGs的PZC通常在3至7之间。因此，在多数天然水体/废水（pH 6–9，高于PZC）中，SCG表面带负电，优先通过静电吸引吸附阳离子物种，如阳离子重金属、阳离子染料、NH₄⁺及阳离子抗生素/表面活性剂，同时也可通过氢键/范德华力捕获极性中性分子。在强酸性介质（pH < 3）中，SCG表面带正电，可吸附阴离子如含氧阴离子（Cr₂O₇^2?、AsO₄^3?、PO₄^3?、NO₃^?和F^?）及阴离子染料。

3.3 Adsorption Performance（吸附性能）
SCGs对多种污染物的吸附能力已被广泛评估，包括阳离子重金属（如Cu(II)和Cd(II)）以及合成染料等有机污染物。值得注意的是，有机分子（如Remazol Blue RN，179 mg/g和Neutral Red，136.98 mg/g）的最大吸附容量（MAC）显著高于大多数无机金属离子，这可能源于芳香族染料结构与SCG异质表面之间静电和疏水相互作用的主导地位。与其他未处理生物质相比，SCGs常表现出竞争性或更优的吸附性能，但其吸附容量仍低于某些高性能生物质。原料SCGs的主要优势在于其几乎可忽略的获取成本，其生产和运营成本比商业AC低一个数量级以上。此外，SCGs的可重复使用性增强了其经济竞争力，研究报告表明其在多达10次连续吸附/解吸循环中保持显著的吸附稳定性。

3.4 Adsorption Mechanism（吸附机理）
吸附动力学、等温线和热力学是解释吸附行为的基本工具。准二级动力学（PSO）模型对多数污染物（包括无机离子和多种有机化学品）的拟合优势强烈表明化学吸附过程（如电子转移、表面络合和化学键合）是主要限速步骤。Langmuir等温线对多数分析物的拟合表明在均质表面位点上发生单层吸附，但部分物种（如Cd(II)、羊毛铬黑T和Remazol Blue RN）的Freundlich参数共存则暗示多层吸附或表面异质性。多数体系表现出负的吉布斯自由能变化（ΔG° < 0），说明吸附是自发过程；多数体系具有正的焓变（ΔH° > 0）和熵变（ΔS° > 0），表明吸热过程及固液界面无序度增加。然而，个别体系呈现独特的热力学特征，如Sr(II)吸附为放热过程，Cd(II)吸附为非自发，Cr(VI)和结晶紫吸附同时具有负的ΔH°、ΔS°和ΔG°。通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等先进技术，研究证实结晶紫的吸附由静电吸引、氢键和π–π相互作用介导；而Cr(VI)的去除则经历初始静电附着随后在酸性条件下由给电子表面基团还原为毒性较低的Cr(III)的两步机制。

4. Chemically Treated SCGs（化学改性废咖啡渣）
4.1 Degreasing（脱脂）
脱脂处理通过溶剂（如NaOH或乙醇/乙醚）提取SCGs中的脂质，剩余残渣仍占原重80%以上。现有文献表明，脱脂增强了SCGs对孔雀石绿、Fe(II)和Ni(II)的吸附性能，可能归因于脂质去除后形成了更发达的孔隙结构，但缺乏带配对的BET/SEM数据来系统比较原料与脱脂SCGs。

4.2 Alkali Treatment（碱处理）
碱处理的效果高度依赖于处理