《Process Safety and Environmental Protection》：In-Situ Capture and Degradation of Biodegradable Microplastics in an Adsorption-Magnetic Separation-Fenton Coupled System Induced by Nano-Iron Oxide-Modified Biochar: Performance, Mechanism, and Reusability
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摘要可生物降解塑料市场采用率的不断提高，引发了人们对其衍生的可生物降解微塑料（BMPs）污染水环境的日益担忧。本研究开发了一种负载氧化铁纳米颗粒的稻草生物炭（FBC）介导的吸附-磁分离-异相芬顿氧化耦合系统，以实现对废水中BMPs的原位捕获和降解。在吸附-磁分离阶段，FBC在
摘要
可生物降解塑料市场采用率的不断提高，引发了人们对其衍生的可生物降解微塑料（BMPs）污染水环境的日益担忧。本研究开发了一种负载氧化铁纳米颗粒的稻草生物炭（FBC）介导的吸附-磁分离-异相芬顿氧化耦合系统，以实现对废水中BMPs的原位捕获和降解。在吸附-磁分离阶段，FBC在pH 3.0–7.0及初始BMPs浓度为20–200 mg/L的条件下实现了超过80%的去除效率，并对共存的化学需氧量（COD）、阳离子和阴离子表现出较高的稳定性。密度泛函理论（DFT）计算和表征结果表明，BMPs主要通过形成Fe-O化学键、氢键和范德华力被捕获。磁分离后，向负载BMPs的FBC中引入H2O2，在25 °C下触发异相芬顿氧化。在芬顿过程中，被吸附的BMPs部分降解为可溶性单体。再生后的FBC在四次再生循环后仍保持超过70%的吸附效率，显示出良好的磁性，且铁浸出量仅为0.08 mg/L。实验室规模生产成本估计为10.65美元/kg FBC。该集成系统提供了一种可持续、低化学投入的策略，通过在氧化前对BMPs进行预富集，克服了污泥转移问题并减少了芬顿试剂的消耗。
引言
微塑料（MPs）是水体和陆地生态系统中广泛存在的新型污染物（Marco Carnevale Miino等，2024）。其微小的尺寸、持久性和生物可利用性使其可被水生生物摄入（Yu等，2025），威胁生态系统健康，并可能通过环境暴露和食物链传递影响人类（Marcharla等，2024）。城市污水处理厂（WWTPs）是水生环境中MPs的主要来源之一（Ma等，2024）。尽管出水浓度低于进水水平，但由于排放量大，仍有相当数量的MPs被释放到受纳水体中（Rashid等，2025），据估计每座工厂每日排放的微塑料颗粒数量在5万至1500万颗之间（Gies等，2018），凸显了污水处理厂去除MPs的迫切需求。
尽管聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等传统MPs是城市废水中主要的MPs类型，但在禁塑政策和双碳战略驱动下可生物降解塑料市场的快速增长（Xu等，2026），使可生物降解微塑料（BMPs）成为新兴关注对象。可生物降解塑料如聚丁二酸丁二醇酯（PBS）易受水解或酶促降解，这加速了其在微生物丰富环境中的分解，在某些情况下比传统塑料释放出更多的MPs（Li等，2022；Wang等，2024）。据报告，与不可降解微塑料相比，PBS等BMPs在相似降解条件下可产生更多的MPs（高出24倍）（Biswal和Balasubramanian，2025）。此外，PBS等BMPs可能比传统MPs具有更高的生态风险，如促进病原体和抗生素抗性基因的富集（Pu等，2025），以及对土壤动物（如蚯蚓）造成更严重的损害（Lu等，2025）。随着可生物降解塑料在包装、农业等领域的日益广泛应用，预计BMPs将在城市废水和污水处理厂中变得更加普遍（Li等，2024）。因此，迫切需要开发经济且环保的技术，以高效去除废水中的BMPs。然而，关于废水处理中去除BMPs的方法仍存在知识空白。
现有的废水中MPs去除技术包括电絮凝、膜分离、高级氧化工艺（AOPs）和吸附。电絮凝存在电流分布不均和氧化问题（Zhang等，2021a）；膜分离虽然去除率高，但面临膜污染问题（Wu等，2021）；AOPs理论上可将BMPs矿化，但需要苛刻的条件和高昂的成本（Wu等，2021；Wang等，2018）。与其他处理技术不同，吸附工艺依赖多孔材料，可通过静电吸引和化学键合等多种机制有效捕获MPs，并因其易用性、经济性和优异的回收性而广受欢迎（Chen等，2021；Sun等，2020）。基于农业废弃物的生物炭因其具有大比表面积、材料成本低、易于获取和环境相容性等理想特性，被视为MPs的高效吸附剂（Kumar等，2023）。然而，其在MPs去除的实际应用中面临关键挑战：原始生物炭吸附容量有限、吸附稳定性差且易受共存物质影响（Li等，2023a）。此外，传统吸附处理仅将MPs转移至污泥而非将其消除，后续污泥处理可能使土壤中的MPs浓度增加多达五倍（Zhou等，2024）。
铁盐/氧化铁改性克服了原始生物炭在MPs去除方面的局限性。引入的铁物种通过增强与MPs之间的静电相互作用、化学键合和表面络合来提高吸附稳定性和性能（Wu等，2019）。改善的磁性使负载MPs的吸附剂能够从废水和污泥中高效地磁分离（Yang等，2019），减轻了MPs向残余污泥的转移，并实现了从两个相中的去除。此外，含铁生物炭可作为高效的异相芬顿型催化剂（Liu等，2023），通过激活H2O2产生高氧化性自由基来降解有机污染物（Yi等，2019）。在类芬顿反应过程中，H2O2还可以修饰生物炭表面官能团并将非磁性铁物种转化为磁性物种，进一步增强饱和磁化强度（Pan等，2021）。因此，假设使用已吸附MPs的磁性碳材料作为异相芬顿催化剂，可以实现降解被吸附MPs和再生吸附剂材料的双重目标。
本研究开发了一种由负载氧化铁纳米颗粒的稻草生物炭（FBC）介导的吸附-磁分离-芬顿氧化耦合工艺，用于去除废水中的BMPs。该工艺包括BMPs在FBC上的吸附、负载吸附剂的磁分离，以及随后利用废FBC作为异相催化剂与H2O2降解被吸附的BMPs并再生活性位点。主要研究目标为：（1）优化FBC的制备，使其成为集成孔隙率、磁分离性、吸附位点、H2O2激活和BMPs捕获功能的多功能材料；（2）阐明BMPs在FBC上的吸附行为与机制；（3）研究FBC耦合H2O2氧化降解被吸附BMPs并实现FBC再生的有效性和机制。
各节摘要
试剂与仪器
选择可生物降解BMPs作为BMPs的代表。原始BMPs（约2 μm）在污水处理厂生物处理单元过滤后的废水中室温老化3天，以模拟废水中的老化过程。原始生物炭（BC）SC-101来源于稻草，碳含量大于95%。主要试剂均为分析纯。使用的仪器包括恒温振荡培养箱（QYC-200）、管式炉（RGG1200-100）、磁力搅拌器（ZNCL-BS）和烘箱（DHG-9071A）。
FBC的表征
对FBC的物理化学性质进行了表征。BET分析表明，400–600 °C制备的FBC的比表面积为525.11–536.04 m2/g（见附图S2和附表S2）。由于孔坍塌和负载氧化铁导致的孔道堵塞（Xiao等，2022），这些值仍然高于某些磁性生物炭的报道值，例如甘蔗渣基磁性生物炭（121–209 m2/g）（Yunqiang Yi，2020）、木屑基磁性生物炭（284.9 m2/g）（Luo等
结论
本研究开发了一种纳米氧化铁改性生物炭介导的吸附-磁分离-芬顿氧化耦合系统，用于废水中BMPs的原位捕获与降解。FBC既可作为高效吸附剂，又可作为可磁分离的芬顿催化剂。在吸附-磁分离阶段，FBC在较宽的pH范围（3.0–7.0）和初始浓度（20–200 mg/L）范围内实现了稳定的BMPs去除，最大去除效率为84.23%，吸附容量
CRediT作者贡献声明
吴景怡：撰写——审阅与编辑。段妮妮：撰写——初稿，软件，方法学，形式分析，概念化。方颖可：撰写——审阅与编辑。李国强：撰写——审阅与编辑。徐宏斌：撰写——初稿，监督，调查，概念化。柴风光：撰写——审阅与编辑。黄龙：撰写——审阅与编辑。李媛：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，基金获取，概念化。
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生成式AI（GenAI Nano banana 2）仅用于创建图5和图7e中的部分3D元素。所有图形随后均经过重新绘制以确保科学准确性。未使用任何AI工具进行数据分析、科学推理或文稿撰写。作者审阅了最终内容并对发表的作品承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号42407508）和中国博士后科学基金（编号2023M743177）提供的资金支持。此外，研究还获得了河南省交通运输厅科技项目（2023-4-4）、郑州大学研究生教育研究项目（YJSJY2025043）以及区域环境可持续性国家重点实验室（项目编号24K02ESPCR）的资助。
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