从聚合物废弃物可持续生产碳质吸附剂用于选择性纺织染料吸附

《Biomass and Bioenergy》：Sustainable production of carbonaceous adsorbents from polymeric waste for selective textile dye adsorption

　　

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  从尿布衍生的聚丙烯酸钠废弃物开发可持续碳质吸附剂。
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  如果废弃物是聚电解质，如聚丙烯酸钠，可以减少化学活化剂的消耗。
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  低浓度的化学活化剂减少了吸附剂生产过程中的用水量。
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  通过物理和化学活化从聚丙烯酸钠废弃物制得的活性炭是有效的纺织染料吸附剂。

引言

很大一部分城市垃圾由短生命周期聚合物组成，这些塑料专为短暂使用而设计，且往往被不当处置，导致环境中的积累不断增加。全球塑料垃圾增加的主要原因之一是其能够替代陶瓷、玻璃和木材等材料，以低成本提供广泛的应用；因此，在过去60年中，其产量大幅增加[1] [2]。全球石油产量的约4%用于生产塑料聚合物[3]。由短生命周期聚合物制成的材料包括口罩[4]、伤口护理材料、手术服[5]、食品包装[6]、一次性尿布（DD）[7,8]、吸管[9]和水瓶[10,11]等。

这些聚合物生命周期短，加之其源自化石资源，使其使用不可持续；此外，它们往往在全球各地的垃圾填埋场和自然环境中积聚[12]。回收利用是减少其环境影响的重要策略，当回收还能生产具有新应用的可持续材料时，有助于减少聚合物垃圾的体积同时为其增值[13]。主要有四种回收方法：一次回收，在生产企业内部进行；二次回收，即机械回收，通过物理手段处理材料，将其转化为具有不同用途的产品；三级回收，即化学回收，涉及解聚以获得单体或其他有价值的产品；以及四级回收，即能量回收，通过焚烧减少废弃物体积[1]。除能量回收外，可控焚烧还可用于从聚合物废弃物中生产活性炭（AC）。众所周知，活性炭的生产涉及对富碳有机材料的碳化，以创建具有高比表面积的多孔结构。生产活性炭最常见的原料是木材[14,15]、矿物煤[16]和椰子壳[17]。然而，由于其碳含量高，有许多关于使用农林工业废弃物的报道。用于生产活性炭的农林工业废弃物包括核桃壳[18]、西兰花茎[19]、鳄梨核[20]、沙粒果种子[21]、芒果核[22]、仙人掌种子[23]、麦壳[24]、稻壳[25]、玉米粒[26]、罗望子核[27]等。

另一方面，不仅农林工业废弃物富含碳，像有机聚合物等合成材料也同样如此。文献中已报道了从聚合物废弃物中生产活性炭的研究，尽管其数量不及农林工业废弃物。废弃物中体积最大的聚合物之一是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。已从PET中制备活性炭，使用500–800 °C的碳化温度和ZnCl₂（BET比表面积700 m² g^?1）或K₂CO₃（BET比表面积1400 m² g^?1）作为活化剂。两种活性炭均用于亚甲基蓝（MB）的吸附测试，吸附容量达到25 mg g^?1 [28]。Kaur B.等人报道了在700 °C下使用KOH作为活化剂从PET中生产活性炭，该活性炭对CO₂吸附有效（2.31 mmol g^?1）[29]。Li Z.等人报道了在500 °C下使用NaOH作为活化剂从聚碳酸酯中制备活性炭，展示了其作为吸附剂材料的潜力[30]。Lian F.等人报道了源自废旧橡胶轮胎、聚氯乙烯（PVC）和PET的活性炭，在600 °C碳化温度下用KOH活化。PET的比表面积最高（2831 m² g^?1），其次是PVC（2666 m² g^?1）；两者对亚甲基蓝（MB）吸附均有效[31]。此外，文献中已探索使用聚合物混合物生产活性炭。Shah D.等人报道了在900 °C下使用CO₂作为活化剂从一次性尿布（DD）中制备活性炭，比表面积达到1235.32 m² g^?1；这些活性炭对氨苄青霉素吸附有效[32]。Lobato-Peralta D.等人报道了从DD中生产活性炭用于开发超级电容器电极，在400 °C或600 °C下使用磷酸作为活化剂，比表面积达到936 m² g^?1 [33]。

一次性尿布约占固体废弃物的4%，在使用后的一次性塑料制品之后，是送往垃圾填埋场的第三大聚合物制品[34]。尿布含有聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯（莱卡）、纤维素和高吸水性聚合物（聚丙烯酸钠），降解可能需要长达500年[35]。当被处置在垃圾填埋场或焚烧炉中时，尿布会带来严重的健康和环境风险，包括疾病传播、加剧全球变暖、大量占用土地、产生污染物、有毒化合物渗入水中以及卫生问题[36]。尿布中的高吸水性聚合物是聚电解质——聚丙烯酸钠（NaPA），具有部分交联结构，使其不溶于水且具有超强吸水性。用于生产活性炭的大大多数聚合物废弃物是非离子聚合物。另一方面，聚丙烯酸钠是尿布中的主要聚合物（约40 wt%），是一种离子聚合物，由于其交联结构，特别稳定且难以回收。

根据上述背景，本研究的目标是使用大量产生的城市废弃物——一次性尿布，作为生产物理活化和化学活化活性炭的前驱体。物理碳的生产为一步法，不使用酸或碱，300 °C即可合成，且在纯化过程中不使用水。另一方面，化学活化碳的生产使用低浓度的磷酸，且在纯化过程中用水量较低。此外，物理活化和化学活化活性炭旨在用于染料的选择性吸附。该方法将城市废弃物转化为适用于废水处理的可持续材料，能够去除纺织染料等有机污染物。

章节摘要

原材料的选择与收集——一次性尿布（DD）

选择一次性尿布作为原料，因为它们主要由聚丙烯酸钠（40 wt%）制成。收集的DD属于同一个婴儿。收集工作持续一个月，共获得332片尿布。将尿布放置在户外21天以模拟垃圾堆。此后称量尿布并用于生产活性炭。

物理活化活性炭

使用水蒸气在三种碳化温度下获得了三种物理活化活性炭：400 °C（CarFPS400）、350 °C（CarFPS350）和300 °C

原材料特性；废弃的一次性尿布（DD）

一次性尿布是一种环境污染物，因为它们构成大量难以处理的不可生物降解废弃物。然而，使用此类固体废弃物在两个方面有助于环境保护：减少垃圾填埋场的废弃物体积，以及为废水处理生成新的吸附材料。因此，吸附剂生产的原料成本几乎可以忽略不计，从而降低了整体生产成本。在

结论

通过物理活化和化学活化从一次性尿布中生产了活性炭。使用染料水溶液的吸附实验表明，物理活化活性炭是碱性染料的选择性有效吸附剂。由于聚丙烯酸钠的热稳定性，热解后碳表面保留了大量羧酸盐基团。这些官能团通过化学吸附促进染料吸附，尽管

CRediT作者贡献声明

Ana María Herrera González：写作——审阅与编辑、资金获取、形式分析、构思。Mari Carmen Reyes Angeles：方法论、调查研究。

资助

资金来源为科学、人文、技术与创新部（SECIHTI），项目编号CBF-2025-I-2357。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：项目编号CBF-2025-I-2357报告称，科学、人文、技术与创新部提供了资金支持。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报道的工作。

致谢

作者感谢墨西哥科学、人文、技术与创新部（SECIHTI）的研究支持，符合伦理标准。

Ana María Herrera González|Mari Carmen Reyes Angeles