综述：碳质吸附剂、传统介质及新兴框架基多孔材料去除微塑料和纳米塑料的批判性综述

《Journal of Water Process Engineering》：A critical review of micro- and nanoplastics removal by carbonaceous sorbents, conventional media and emerging framework-based porous materials

　　## 摘要- 多孔介质通过表面附着和物理截留来滞留微塑料和纳米塑料。- 截留、楔入、缠绕和释放都可能强烈影响表观去除率。- 水质化学、微塑料和纳米塑料的老化程度以及流动条件共同决定了滞留的稳定性。- 碳质介质最接近实际部署，而MOF/COF仍然需要解决固定化和浸出控制问题。## 引言微塑料和纳米塑料已经从单纯的垃圾污染问题转变为新兴污染物类别。塑料生产、纺织纤维、轮胎磨损颗粒、土壤调理、废水排放、城市径流和饮用水系统都构成了环境暴露途径。由于微塑料和纳米塑料可能表现为胶体、团聚体、纤维、碎片、薄膜或被生物膜覆盖的颗粒，其去除效果同时取决于聚合物性质、老化状态、水质化学、流动状态和吸附剂结构。微塑料和纳米塑料能够携带添加剂和共同污染物、改变多孔环境中的颗粒传输，并在生态系统中和人为系统中产生生态与人体暴露风险，这进一步加强了开发既有效又具机制可解释性的去除策略的必要性。多孔吸附剂在这一问题中具有独特地位。它们不仅是高比表面积的吸附剂，也是悬浮颗粒必须通过的介质。在饮水处理系统中，它们以快速砂滤器、慢速砂滤器、颗粒活性炭滤器和膜等形式使用。在环境和环境保护应用中，它们表现为土壤、沉积物、雨水生物滞留介质、人工湿地基质和渗透性反应性屏障。在工程化和新兴材料研究中，它们包括金属有机框架/共价有机框架粉末、MOF膜、MOF泡沫、磁性碳、气凝胶和生物聚合物海绵。现有的微塑料和纳米塑料控制技术包括絮凝沉淀、膜过滤、吸附、生物降解和高级氧化；然而，多孔吸附剂仍然尤为重要，因为它们同时充当界面收集器和水力介质。这种双重作用对饮用水处理、废水深度处理、雨水管理和地下修复具有吸引力，但也意味着观察到的去除效果不能仅从比表面积来解释。近期的综述强调了微塑料和纳米塑料的发生与风险、废水处理性能、新兴吸附剂、雨水多孔介质或框架材料，但很少有研究将吸附化学、胶体过滤理论、DLVO和非DLVO相互作用以及孔隙尺度捕获整合到统一的机制框架中。本综述通过比较颗粒性质、孔结构、水质化学和水力学如何共同决定碳质吸附剂、传统矿物介质、工程化多孔系统和新兴框架材料中的微塑料和纳米塑料滞留情况，来填补这一空白。近期关于多孔吸附剂对溶解性环境污染物去除的研究也为微塑料和纳米塑料控制提供了相关的设计借鉴，尽管这些研究并不能直接证明微塑料和纳米塑料的去除效果。关于共价有机框架和纳米纤维基吸附剂的综述确定了可调的表面功能化、互连孔隙和可回收载体上的固定化等反复出现的设计原则。关于磁性生物炭/多酸复合物、批次和固定床模式下运行的活性炭、基于ZIF的复合物、碳纳米管/多酸杂化物以及磁性可回收MOF/COF复合物的原始研究进一步表明，可回收性、结构稳定性、重复使用和在真实水体中的测试必须与吸附性能一并评估。在本综述中，这些研究仅用于指导材料架构和部署标准，其分子污染物的去除值不视为微塑料和纳米塑料去除的定量数据。图1总结了本综述所使用的框架。颗粒域捕捉尺寸、形状、密度、聚合物类型和老化状态；收集剂域捕捉电荷、粗糙度和疏水性；孔隙域捕捉拦截、截留、楔入和缠绕；基质/操作域捕捉pH值、离子、天然有机物、流动、压降、熟化和反冲洗。这些要素共同解释了为什么同一种吸附剂在批量实验中可能表现优异，但在穿透、释放和基质效应变得重要时，在连续流系统中却表现出较弱或不稳定的性能。我们使用VOSviewer（版本1.6.20，荷兰莱顿大学）对基于Web of Science核心合集的"微塑料去除"和"纳米塑料去除"研究态势进行了关键词共现分析。如图2a所示，微塑料去除研究与吸附、吸着、废水、污染、颗粒物、生物炭和微塑料去除等关键词高度相关，表明研究重点广泛聚焦于环境发生情况与处理应用。相比之下，纳米塑料去除研究与纳米塑料、吸附、团聚、传输、沉积、稳定性以及聚苯乙烯纳米塑料等关键词关联更为密切，反映了对胶体行为和颗粒表面相互作用的更专注分析（图2b）。综上，这些文献计量学特征支持了开展一个整合吸附、附着和过滤概念的机制性综述的必要性。## 章节摘要### 微塑料和纳米塑料在多孔吸附剂中滞留的机制基础在本综述中，"去除"指经过某处理步骤后微塑料和纳米塑料浓度的测量降低值；"滞留"指颗粒被多孔床阻止通过的结果；"吸附"指固液界面的表面亲和力；"附着"指颗粒碰撞后粘附于收集剂；"孔隙捕获"涵盖通过拦截、截留、楔入、缠绕或堵塞实现的物理滞留。保持这些区分至关重要，因为……### 碳质吸附剂：生物炭生物炭是研究最为广泛的低成本多孔吸附剂之一，用于去除微塑料和纳米塑料。它结合了芳香碳域、含氧官能团、矿物灰分、分级孔隙和不规则形貌。其实用吸引力在于可以被添加到砂滤器、雨水介质、径流柱或渗透性反应性屏障中，而无需专门合成。其科学挑战在于生物炭并非单一材料：原料、热解温度……### 传统与工程化多孔介质传统多孔介质指的是广泛使用的矿物或碳质床层材料，如砂、石英、沸石和 Anthracite（无烟煤），而工程化多孔介质指的是通过有意改变其组成、表面化学或堆积架构以增强捕获能力或提供多功能性的床层。这一区分将基线矿物收集剂与经优化的吸附剂介质分开，同时也承认某些材料可以以两种形式部署。### MOF基吸附材料：粉末、泡沫和膜MOF具有吸引力，因为其金属节点、有机连接体、孔隙化学、表面电荷、疏水性和膜架构都可调控。然而对于完整的微塑料和纳米塑料颗粒，外部形态、膜支撑材料、静电亲和力和团聚往往比固有的微孔体积更为重要，因为大多数微塑料和纳米塑料大于MOF微孔。这意味着用于微塑料和纳米塑料去除的MOF应被设计为颗粒界面工程，而不仅仅是分子吸附。沸石型的……### 水基质、老化、颗粒特性和水力条件的影响本节强调水基质成分和颗粒老化状态，因为它们经常能解释其他条件相似的吸附剂研究之间的差异。然而，微塑料和纳米塑料的尺寸和形状、吸附剂粗糙度和化学性质、接触时间、进水浓度以及流动状态仍然是共同的调节因素，应与表1中总结的变量一起解读。基质敏感性因吸附剂类别而异。传统砂和矿物介质对离子……### 未来研究重点基于现有研究，报道的去除效率并不足以说明问题。95%的去除率可能意味着深层滞留、浅层堵塞、吸附到可回收吸附剂上、颗粒团聚后沉降或分析损失。如果没有颗粒回收控制和质量平衡分析，高去除率无法被解释。最有价值的未来研究将结合材料表征、颗粒表征、真实水基质、水力指标……### 结论对于微塑料和纳米塑料而言，多孔吸附剂的去除并非简单的吸附问题。它是一个由碰撞效率、界面力、孔隙尺度几何、水质化学、生物膜发展和水力扰动共同决定的耦合传输和滞留问题。吸附、附着、截留、楔入、缠绕和释放都可能产生相似的表观去除值，但意味着截然不同的床层寿命、再生需求和再活化风险。在目前可用的选项中……### CRediT作者贡献声明**Jianqiao Song：** 初稿撰写、可视化、方法学、调查。**Nii Ashitey Anuwa-Amarh：** 审阅与编辑。**Melike Dizbay-Onat：** 审阅与编辑。**Alexandra Stenson：** 审阅与编辑。**Shenghua Wu：** 审阅与编辑、资金获取。**Abid Hussain：** 审阅与编辑。**Kaushik Venkiteshwaran：** 审阅与编辑、监督、概念构思。## 利益冲突声明作者声明他们不存在已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告工作的情况。## 致谢作者向本研究的支持者致以诚挚的感谢，包括美国国家海洋和大气管理局（NOAA），项目编号 NA23OAR4170169，以及美国国家科学基金会（NSF），项目编号 2348977 和项目编号 2450141。---作者：Jianqiao Song | Nii Ashitey Anuwa-Amarh | Melike Dizbay-Onat | Alexandra Stenson | Shenghua Wu | Abid Hussain | Kaushik Venkiteshwaran