《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：From waste to water treatment: Banana peel powder for polystyrene removal with FTIR-based mechanistic understanding
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微塑料污染治理中，香蕉皮粉（BPP）作为生物絮凝剂去除聚苯乙烯（PS）微塑料的研究。通过FTIR、SEM和zeta电位分析，证实BPP表面羟基和羧基通过电化学作用及范德华力促进PS絮凝，最佳pH 5、投加量0.5g/L时去除率达95%。研究揭示了表面官能团对PS吸附的关键性，并证实高盐度及NOM存在时絮凝效果降低。该成果为农业废弃物资源化应用于水处理提供了新方案，符合循环经济理念。
Ateeq Ur Rehman|Aqsa Maqsood|Abu Bakar Siddique|Shoaib Akhtar|Khaled Fahmy Fawy|Qurat Ul Ain|Muhammad Sher|Umar Nishan|Tauqeer Ahmad|Arshad Ali|Azhar Abbas
巴基斯坦拉合尔 Superior 大学化学系，邮编 54000
摘要
聚苯乙烯（PS）微塑料是水环境中最持久且最麻烦的污染物之一，由于它们的体积小且具有化学抗性，因此去除这些微塑料的方法并不实用。在这项研究中，使用了一种由香蕉皮粉（BPP）制成的廉价且环保的生物絮凝剂来有效分离水中的 PS 微塑料。BPP 表面含有大量的羟基（–OH）和羧基（–COOH）基团，这些基团可以促进静电相互作用并吸附 PS 颗粒，这一点通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和ζ 电位测量等物理化学方法得到了证实。此外，SEM 显微图还显示了颗粒的聚集和固体核化的增强，表明絮凝过程非常成功。河水、灰水和农业径流样本的应用效率达到了 60–82%，而在受控条件下，PS 的去除率达到了 95%。干扰实验表明，天然有机物质（NOM）的存在会抑制絮体的形成，而盐度和多价阳离子则会促进其形成。功能基团修饰实验进一步证实了 –COOH 和 –OH 在 PS 絮凝过程中的重要作用。本研究通过展示一种可持续利用香蕉废弃物作为高效生物絮凝剂去除微塑料的方法，为水处理中的循环经济理念做出了贡献。
引言
聚苯乙烯（PS）是一种特殊的合成聚合物，因其硬度和低重量而被广泛应用于消费品、绝缘材料和一次性包装中[1]。然而，由于其不可生物降解的特性，它对公共卫生构成了巨大威胁。当 PS 产品处理不当会产生微塑料，这些微塑料可以持续存在数百年（例如 150 至 500 年），并通过生物累积和释放有毒物质对人类健康和水环境造成危害[2]。据估计，全球每年产生的 PS 垃圾量超过 1000 万吨，由于管理不善和径流作用，大量 PS 垃圾进入水系统，在城市或工业区附近，水中的 PS 浓度可达到每升数千个颗粒[3]。表 1...
传统的微塑料处理技术，如沉淀、过滤和化学絮凝，仍然需要大量的资金投入和高能耗，并且存在二次污染的风险[4]。常用的化学絮凝剂（如氯化铁或明矾）虽然有效，但高剂量（约 1.5–3.5 公斤/立方米）会产生富含金属的污泥，需要妥善处理，从而增加环境负担[5]。这些限制凸显了开发创新、经济高效且环保的技术的重要性，尤其是在发展中国家的大规模水处理过程中[6]。
来自农业废弃物的天然絮凝剂在水处理中越来越受到重视，以实现可持续发展[7]。香蕉皮作为一种废弃物，含有纤维素、半纤维素、木质素和果胶，数量丰富且可再生[8]。这些生物聚合物具有足够的羟基（–OH）、羧基（–COOH）和酚类结构，可以通过范德华力、氢键和静电作用结合污染物[9]。已有少量研究表明，香蕉皮能有效去除废水中的重金属、色素和油基污染物[10]。与其他生物絮凝剂（如辣木（Moringa oleifera，效率为 85–90% 但成本较高）或壳聚糖（效率为 90–95% 但因其海洋来源而不可持续）相比，香蕉皮在成本和可获取性方面具有独特优势[11]。
尽管针对重金属和染料的天然絮凝剂受到了较多关注，但利用农业废弃物处理合成聚合物微塑料（尤其是 PS）的相关研究仍然不足[12]。最近基于生物的絮凝研究主要集中在去除重金属和染料上，聚合物与生物材料相互作用的机制方面尚未得到充分探索[13]。此外，关于 –COOH 和 –OH 基团在 PS 絮凝中具体作用的长期研究也较为缺乏。本研究的创新之处在于系统地应用 BPP 作为绿色絮凝剂处理 PS 微塑料，并通过 FTIR 基础的机制研究进行功能基团阻断实验，以确定导致絮凝的活性化学过程。
因此，本研究的目标是：(i) 评估 BPP 在不同操作和化学条件下的去除 PS 微塑料的效果；(ii) 探究 pH 值、离子强度和天然有机物质对去除效率的影响；(iii) 通过功能基团修饰和 FTIR 测量理解絮凝机制。通过实现这些目标，本研究加深了对生物聚合物与微塑料相互作用的认识，并提出了一种利用香蕉废弃物的环保方法。研究结果提供了一种可扩展且经济可行的方法来减少水系统中的聚合物含量，对推动循环水处理技术的发展具有重要意义。
材料
材料
主要使用的生物絮凝剂是当地采集的新鲜香蕉皮（Musa spp.），聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）微塑料购自 Sigma-Aldrich。溶剂为去离子水，离子强度的模拟使用的是 Merck 公司提供的氯化钠（500 mg/L）。钙离子和镁离子分别通过二水合氯化钙和七水合硫酸镁（均来自 Merck）以 100 mg/L 的浓度加入。此外还添加了腐殖酸（Sigma-Aldrich）以模拟...
BPP 和 PS 微塑料的 FTIR 和 XRD 分析
FTIR 光谱提供了有关成功改性的关键信息，有助于阐明香蕉皮絮凝能力的作用机制，尤其是对通常被认为不可生物降解的聚苯乙烯（PS）。在 FTIR 对比光谱（图 2A）中，黑线代表香蕉皮生物絮凝剂的光谱，红线代表 PS 的光谱。观察到明显的光谱变化...
结论
在理想条件下（pH 5，剂量 0.5 g/L），本研究明确表明香蕉皮粉（BPP）是一种极其高效、可持续且经济的生物絮凝剂，可用于聚苯乙烯（PS）微塑料的去除。本研究的主要贡献在于通过定量功能基团阻断测试和 FTIR 分析阐明了絮凝机制。这一新方法清楚地证明了羟基（–OH）在絮凝过程中的重要作用...
作者贡献声明
Ateeq Ur Rehman：撰写初稿、软件开发、方法设计、实验研究。Aqsa Maqsood：撰写初稿、软件开发、实验研究、资金筹集。Abu Bakar Siddique：撰写、编辑、验证、数据分析、数据管理。Shoaib Akhtar：撰写、编辑、验证、软件开发、数据分析、数据管理。Khaled Fahmy Fawy：撰写、编辑、验证、资金筹集、数据分析、数据管理。Qurat Ul Ain：撰写
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢沙特阿拉伯 King Khalid 大学研究与发展院的支持，该项目编号为 RGP-2/675/46。
