综述：超越批量吸附：基于描述符引导的OPEFB衍生物纤维素-碳平台工程设计，用于可均质使用的 water 和 wastewater 处理

《Bioresource Technology Reports》：Beyond batch adsorption: Descriptor-guided engineering of OPEFB-derived cellulose–carbon platforms for operation-ready water and wastewater treatment

　　摘要
在简化的批次系统中测得的高吸附能力不足以证明油棕空果串（OPEFB/EFB）衍生材料可以作为可用的废水处理介质。尽管OPEFB已被广泛转化为纳米纤维素、生物炭、活性炭、膜和复合吸附剂，但相关文献仍然分散在不同的材料平台上，并且与实际操作性能之间的联系较弱。本综述将OPEFB重新定义为一种可编程的前体，用于制备纤维素、碳基材料以及纤维素-碳基复合材料。从361条检索记录中筛选出289条独特记录，最终选取了40项研究作为Scopus核心批判性评价的样本。评估采用了三级层次结构，区分了直接涉及OPEFB/EFB的研究、含有OPEFB的复合材料结构，以及通用的机制或工程基准。OPEFB的处理过程可以关联到多种纤维素和碳的描述参数，包括聚合度、结晶度/晶体形态、电荷、膨胀历史和角化倾向；同时也能关联到碳的相关参数，如矿物残留、孔径分布、微孔/中孔比例以及表面化学性质。研究表明，单一平台的优化是不够的：纤维素基材料仍易受到膨胀、压实、离子浓度敏感性和湿循环不稳定性的影响，而碳基材料则面临孔堵塞、粉末处理困难、水力性能下降以及再生过程中的性能变化问题。因此，纤维素-碳基复合材料被视为一种受相分布、粘附力、孔隙可用性、膨胀控制和水力行为共同影响的界面和传输结构。本文提出了一个基于模式识别的框架，通过突破行为、空床接触时间、压降、通量/渗透性、污染程度、清洁恢复能力和湿态稳定性等指标来区分批次实验结果与固定床和膜处理结果。此外，还从耐久性和可持续性角度分析了这些材料在实际应用中的准备情况，包括再生过程中的降解、化学和能源消耗、溶剂/试剂回收率、使用寿命以及最终处置方式。

引言
单溶质批次实验中的高吸附能力不足以证明这些材料在废水处理中的有效性（John等人，2024年）。当将这些材料应用于固定床、膜模块或实际废水体系时，会暴露出批次实验无法解决的诸多限制因素，例如竞争性溶质、天然有机物（NOM）、油类物质、表面活性剂、压降、污染现象、膨胀或压实问题以及再生稳定性（Bayuo等人，2024年；Kacaribu等人，2026a年；Satyam和Patra，2024年）。这种从批次实验到实际操作的差距是本综述的核心问题。油棕空果串（OPEFB，也称为EFB）是一种有用的研究原料，因为它不仅资源丰富，而且具有复杂的结构特性。EFB通常占加工后新鲜果串的20-28%（Kacaribu等人，2026b年；Darwin等人，2021年；Rahayu等人，2021年；Sidabutar等人，2024年；Yusuf等人，2025年）。其细胞壁结构、木质素分布、矿物和二氧化硅相、可提取物以及热化学性质使其能够转化为纤维素材料、碳基材料以及纤维素-碳基复合材料（Astutiningsih等人，2024年；Nugroho等人，2024年；Pratama等人，2021年；Sidabutar等人，2024年；Susi等人，2023年）。然而，这种结构的多样性意味着下游性能受分馏过程和转化历史的影响，而不仅仅取决于原料本身。现有综述大多分别针对不同的材料类型进行探讨：关于油棕纳米纤维素的研究侧重于纳米纤维素晶体（CNC）、纳米纤维素纤维（CNF）、薄膜和复合材料；而关于碳基材料的研究则集中在生物炭、活性炭、活化方法及其吸附应用上（Padzil等人，2020年；Rashidi和Yusup，2017年；Razali等人，2026年）；关于预处理和生物精炼过程的综述主要讨论了木质素去除、碳水化合物回收、酶解能力或木质素提取等方面（Harun等人，2021年；Thi和Lee，2019年）。这些文献很少共同探讨一个关键工程问题：即OPEFB的结构和处理历史如何决定材料在经过成型、压实、污染、压力驱动操作和再生后的功能。本综述通过描述符引导的工程框架来解决这一问题。分馏过程被视为一种结构和化学上的调控手段，可以建立纤维素的描述参数（如链完整性、结晶度、电荷和膨胀历史效应），以及碳的描述参数（如矿物残留、孔径分布和表面化学性质）。纤维素能够提供湿态结构控制、电荷调节、薄膜形成和粘合功能，而碳则能够提供孔隙控制吸附、芳香基团和可调表面化学性质。然而，这两种成分的组合并不必然产生协同效应。直接的研究表明，在某些EFB纳米纤维素配方中添加活性炭可以提高重金属的去除效果，但现有数据未能明确指出这是由于位点掩蔽作用还是其他因素（Septevani等人，2020年）。含有OPEFB的气凝胶研究显示，增加氧化石墨烯（GO）的负载可以提高密度，但同时会降低孔隙率和孔体积，表明存在密度与孔隙可访问性的权衡（Gan等人，2018年）。此外，粘合剂引起的孔隙堵塞和界面不稳定性也被视为设计风险，这一观点得到了更多关于成型碳和混合基质膜研究的支持（Hasan和Coronas，2024年；Lozano-Castelló等人，2002年）。

在本综述中，描述符被定义为一种可以在指定条件下使用特定方法测量的材料状态变量，具有足够的重复性以便在相同或不同研究之间进行比较，并且能够从机制或经验的角度反映材料的处理性能或失效机制。描述符并不需要普遍适用于所有废水类型或操作模式；其预测或解释能力取决于具体的测量条件和操作边界。处理条件本身不是描述符，而是决定描述符状态的上游因素。同样，材料结构或形态因素、操作条件、性能指标和降解机制也被视为不同的下游层次。因此，本框架遵循以下层次结构：处理历史 → 材料描述符 → 材料结构/形态因素 → 操作条件 → 处理性能 → 失效或降解路径。“描述符可编程的前体”指的是OPEFB处理过程能够有意地创造出可测量的材料状态，从而匹配所需的材料和操作功能。因此，本综述将OPEFB的结构和分馏过程与可测量的材料状态联系起来；评估了纤维素、碳基材料以及纤维素-碳基复合材料的局限性能；区分了批次实验结果与固定床和膜处理的相关证据；并结合了污染物特定条件、耐久性和过程准备性标准（Arfelis等人，2023年；Turk等人，2020年）。目的是将研究重点从是否OPEFB衍生材料能够去除污染物转向哪些结构在这些条件下仍能保持功能、稳定性和可验证性。

部分节选
**研究设计与文献搜索**
本研究采用结构化的批判性综述方法，而非系统性综述或元分析。文献收集始于2026年1月3日至6月3日期间对Scopus和Google Scholar的迭代搜索。为了提高证据基础的透明度和重现性，在手稿修订过程中进行了额外的Scopus验证搜索。使用了三个互补的TITLE-ABS-KEY搜索块来覆盖相关内容。

**纤维素、半纤维素、木质素和灰分含量并不能解释为什么看似相似的OPEFB衍生材料在分馏响应、纳米纤维素或碳产率、孔结构发展以及再生稳定性方面存在差异。更具有比较意义的依据是原料结构和处理历史如何形成在成型和操作后仍然持续存在的可测量材料状态。这里的“描述符设置”指的是原料结构和处理过程如何影响这些状态。**

**单一平台的局限性**
第3节中提出的描述符设置逻辑解释了为什么OPEFB衍生的纤维素和碳不能被视为通用材料类别。纤维素的性能主要受链完整性、电荷、水合作用、湿态凝聚和膨胀的影响，而碳的性能则取决于孔结构、表面化学性质、芳香结构以及传输性能。本节评估了每个平台的功能及其在实际操作中的局限性，并明确了纤维素-碳基复合材料的技术合理性。

**纤维素-碳基复合材料**
OPEFB衍生的纤维素-碳基复合材料的技术原理不仅仅是简单的混合，而是为了弥补实际操作中的局限性。纤维素可以提供电荷调节、亲水性、湿态结构控制和粘合功能，而碳则可以提供内部表面积、芳香基团和可调的吸附位点（Ania等人，2026年；Balakrishnan等人，2026年；Chen等人，2025年；Kacaribu等人，2026a年；Kang等人，2024年；Kim，2025年）。

**操作模式验证**
只有在预定的操作模式下测试性能时，第3-5节中提出的描述符和复合材料逻辑才具有实际意义。实际废水中的pH值和离子浓度变化、天然有机物（NOM）、油类物质、表面活性剂、悬浮固体和可溶性固体、竞争性离子以及混合污染物都会影响吸附过程，可能导致双电层压缩、孔隙堵塞、污染加速以及湿态结构不稳定（Ahsan等人，2023年；Cherni等人，2024年）。

**耐久性与再生**
耐久性是实验室优异性能与实际应用中可靠OPEFB衍生材料之间的关键因素。再生过程并非简单的中性重置：热处理、氧化处理、酸碱处理或溶剂处理都可能改变碳的孔结构和表面化学性质、纤维素的链完整性以及界面粘附性。常见的失效机制包括碳的烧失或氧化、纤维素的水解和链断裂、角化或压力驱动的降解。

**可持续性和过程准备性**
废物的来源仅是判断材料是否适合实际应用的起始条件，并不能直接证明其具有低污染负荷处理能力。对于OPEFB衍生的吸附剂和膜材料，其环境可靠性取决于完整的转化过程：前体和产物的产量；酸、碱、氧化剂、活化剂的消耗；清洗和中和过程；电能和热能需求；试剂或溶剂的回收率；以及废弃材料和捕获污染物的最终处置方式。

**结论与未来方向**
最有力的OPEFB特异性证据支持从以材料为中心的优化转向以描述符和操作为导向的设计。纤维素和碳提供了互补的功能，但只有当相分布、界面完整性、可访问的电荷或孔隙率以及湿态传输得到保持时，它们的集成才有意义。不过，不同应用中的证据成熟度存在显著差异。目前，染料处理领域在从批次实验到实际应用的进步最为明显。

**作者贡献声明**
Andriy Anta Kacaribu：负责撰写、修订和编辑，原始草稿的撰写，数据可视化，概念化。Yuliani Aisyah：负责撰写、修订和编辑，验证，监督。Febriani：负责撰写、修订和编辑，验证，监督。Pati Kemala：负责撰写、修订和编辑，可视化，监督。Darwin：负责撰写、修订和编辑，验证，监督，资源提供，概念化。

**写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明**
在稿件准备过程中，仅使用了ChatGPT和OpenAI等生成式AI工具来提高语言的清晰度和可读性。作者对所有内容进行了审核和编辑，并对最终版本的全责。

**未引用参考文献**
Kacaribu等人，2027年

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系会影响本文的研究成果。

**致谢**
作者感谢印度尼西亚高等教育、科技部下属的研究与社区服务局提供的研究资助（项目编号：271/C3/DT.05.00/PL1720 BARU/2026；160/UN11.L1/PG.01.03/DPPM/2026）。同时，作者感谢Universitas Syiah Kuala（USK）在Andriy Anta Kacaribu的博士加速计划（PRUU-PD）项目中提供的奖学金支持。