综述：葡萄渣转化为用于水和废水处理的功能性材料的进展与前景 费尔南达·米兰达·佐帕斯（Fernanda Miranda Zoppas）、 塔蒂亚娜·本韦努蒂（Tatiane Benvenuti） 达伊安娜·马费索尼（Daiana Maffessoni）

《AgriEngineering》：Advances and Perspectives on Valorization of Grape Pomace into Functional Materials for Water and Wastewater Purification Fernanda Miranda Zoppas, Tatiane Benvenuti and Daiana Maffessoni

　　摘要：葡萄酒行业产生了大量的葡萄渣（GP），这是一种富含纤维、多酚、脂质和矿物质的木质纤维素副产品。如果不妥善管理和处置葡萄渣，可能会对环境造成严重影响；而将其加以利用则可以在循环经济框架内创造重要机会。本文综述了将葡萄渣从农业工业废弃物转化为用于水和废水处理的功能性材料的过程。文章重点讨论了葡萄渣的特性分析、通过热化学方法制备生物炭、开发基于硅和生物聚合物的复合材料，以及利用富含多酚的提取物进行纳米材料绿色合成的最新进展。研究表明，由葡萄渣制成的材料在去除染料、重金属和新兴污染物方面表现出高效性能，而混合系统则提高了材料的稳定性、选择性和催化性能。尽管在实验室规模上取得了有希望的结果，但在再生效率、长期稳定性和可扩展性方面仍存在重大挑战，这些因素目前限制了葡萄渣衍生材料的竞争力。此外，缺乏全面的生命周期评估和技术经济分析也阻碍了其环境和经济可行性的验证，因此需要综合评估来指导可持续的实施。总体而言，葡萄渣作为一种第二代废弃物，具有巨大的潜力，可以通过多种策略实现高价值化合物的回收和环保应用，从而支持可持续净水技术的发展。

1. 引言
2023年，全球葡萄产量接近7200万吨，包括用于食用的葡萄和用于加工的葡萄[1]。这些葡萄主要用于生产葡萄酒、起泡酒和果汁。这一产业产生了大量的葡萄渣，其中包含果皮、种子和茎秆，约占加工葡萄总质量的20-30%[1]。例如，根据2024年巴西处理的180万吨葡萄计算，产生了36万至54万吨需要处理的葡萄渣[3]。不当的处置方式可能导致土壤和水源污染，对水生生态系统和人类健康构成严重风险[4]。
为应对这些环境问题，人们越来越多地探索葡萄渣的替代用途，包括提取有机酸和多酚，以及生产葡萄籽油和其他高价值成分，这些成分在食品、化妆品、制药和化工行业中有广泛应用[5]。此外，葡萄渣还被用于净水。研究表明，葡萄渣作为生物吸附剂可以有效去除废水中的重金属和染料等污染物[6,7]。除了生物吸附外，将葡萄渣转化为功能性纳米材料也为净水提供了一种可持续的方法。这些纳米材料可以被设计成针对特定污染物的吸附剂，从而提高水处理效率[8]。
本文综述了葡萄渣作为可持续原料在净水和废水处理中的价值利用，涵盖了其物理化学性质、从原始葡萄渣到热处理材料（生物炭和活性炭）的转化途径，以及为提高吸附和催化性能而设计的混合和功能化系统。值得注意的是，与高去除效率相关的关键结构特性（如增加的比表面积）并非葡萄渣本身固有的，而是通过热处理或化学处理获得的。因此，本文不仅提供了描述性的概述，还对比了不同的葡萄渣利用途径，强调了在循环经济框架内材料性能、处理强度、环境可持续性、技术成熟度和可扩展性之间的权衡，包括生命周期评估的相关考虑。
虽然已有许多综述探讨了葡萄渣在不同应用中的价值利用[1,5,8]，但本文的独特之处在于它对特定用于水处理的葡萄渣利用途径进行了系统的比较分析。与以往侧重于孤立方面的研究不同，本文系统地整合了材料制备、结构-性质关系和性能评估，并明确讨论了在循环经济框架内的处理强度、环境影响和技术成熟度之间的权衡。此外，本文还全面评估了当前的限制和研究需求，包括再生、可扩展性和生命周期考虑，为未来的可持续实施提供了指导。

2. 葡萄渣的特性
葡萄渣的化学组成变化较大，取决于葡萄品种、酿酒工艺和分析方法。关于宏量营养素（纤维、蛋白质和脂质）、多酚和矿物质的报道值在文献中存在显著差异，这反映了生物多样性和提取或定量协议的不同[1,9,10,11,12,13,14]。表1汇总了多项研究的近似组成数据。这一综合概述突显了葡萄渣的营养价值——特别是其高膳食纤维和多酚含量——并强调了在设计利用策略时考虑组成变化的重要性。

3. 葡萄渣的应用
从生物经济的角度来看，农业工业废弃物可以分为不同代际。第一代废弃物直接来源于可食用生物质和饲料作物及其副产品，富含糖分、淀粉或油脂，传统上用于“传统”生物燃料和食品成分。第二代废弃物主要由不可食用的木质纤维素组成，如秸秆、甘蔗渣、果皮和林业废弃物，是先进生物产品的主要原料，相比食品基资源具有更高的可持续性。第三代废弃物与藻类生物质和二氧化碳基工艺相关，具有高生产率和不依赖农业用地的特点，尽管这些产业链仍处于较为新兴的技术阶段[21,22,23,24,25,26,27,28]。
在这种情况下，葡萄渣是一种典型的第二代废弃物，由酿酒过程中产生的果皮、种子和茎秆组成。葡萄渣富含纤维、多酚和矿物质成分（表1），这使其成为开发高价值材料的木质纤维素原料。其组成与当前正在探索的第二代生物精炼路线和功能性材料的木质纤维素农业废弃物相一致[22,29,30,31,32,33]。将这一代际框架扩展到葡萄渣衍生的材料，其利用途径可以概念性地分为三个处理复杂度递增的流程，如图1所示。该图根据所需的转化步骤（从直接使用到热处理和先进化学合成）将基于葡萄渣的功能性材料分为第一代、第二代和第三代。
图1展示了葡萄渣作为第二代木质纤维素废弃物如何通过不同的转化途径转化为三类主要的功能性材料。根据这一框架，本节系统地探讨了这些材料类别及其在水处理中的应用。首先，第3.1节重点介绍了葡萄渣衍生的碳质材料，详细介绍了它们的制备路线（3.1.1节）、结构与性质之间的关系以及用于提高性能的混合和功能化系统（3.1.3节）。然后，通过不同污染物类别（重金属去除和新兴污染物去除）评估了这些材料的有效性，并讨论了实际应用中的考虑因素，包括再生和可持续性权衡（3.1.5节）。随后，第3.2节探讨了利用葡萄渣中的生物活性化合物开发的多酚衍生功能性材料，这些材料的应用超出了传统吸附的范围。最后，第3.3节对各种利用途径进行了比较和批判性评估，结合了性能指标、处理强度、环境影响和技术成熟度，以指导特定应用的材料选择。

3.1. 葡萄渣衍生的碳质材料在水处理中的应用
3.1.1. 材料类别和制备路线
葡萄渣可以通过多种热化学途径转化为碳质吸附剂，每种途径产生的材料具有不同的性质。主要的葡萄渣衍生碳质材料包括生物炭、活性炭和改性或功能化碳。这些材料通过热解、化学活化、物理活化或其组合方法制备，处理条件决定了最终的物理化学特性。
热解是基本的转化途径，涉及在惰性气氛（通常为N2）下对葡萄渣进行热分解。300至900°C的温度范围可以产生不同程度的碳化、孔隙发育和表面功能性的生物炭。缓慢热解（400–500°C）有助于保留有利于金属络合的含氧表面基团[6]，而较高温度（700–900°C）则促进更大的芳香性和孔隙度[7]。停留时间和加热速率也会影响产品性质。
化学活化是在热解前用活化剂（如H3PO4、KOH或ZnCl2）浸渍葡萄渣。这种方法通常由于化学蚀刻和热分解的共同作用，使材料的比表面积和孔隙体积显著增加[34,35]。活化剂的类型、浓度和浸渍比例对孔隙发育和表面化学性质有重要影响。
物理（热）活化利用高温（通常为800–1000°C）的氧化气体（蒸汽、CO2）进一步发展预碳化材料的孔隙度[36]。这种方法可以在不使用化学试剂的情况下产生具有良好微孔结构的活性炭，但通常需要更高的能量输入。
微波辅助活化作为一种节能替代方法，结合了化学浸渍和快速微波加热。Mechati等人[37]证明，在微波辐射（400 W，3分钟）下活化的葡萄茎炭达到了483 m2 g?1的比表面积，且处理时间明显缩短。
选择制备路线取决于预期应用，需要在所需性质（比表面积、孔结构、表面化学性质）与处理成本和环境考虑之间进行平衡。图2提供了从原始葡萄渣制备到最终应用的完整价值利用工作流程的概述。

3.1.2. 结构-性质-机制关系
葡萄渣衍生碳质材料的吸附性能与其物理化学结构密切相关，而结构又取决于所采用的制备路线和条件（3.1.1节）。理解这些结构-性质-机制关系对于合理设计和优化特定污染物的去除至关重要[1]。
三个结构参数主要控制吸附行为：比表面积、孔径分布和表面化学性质[38,39]。比表面积通常通过BET方法测量，葡萄渣衍生材料的比表面积范围很广——从轻微热解的葡萄渣的0.25 m2 g?1到化学活化碳的超过1200 m2 g?1[41]。然而，高比表面积本身并不能保证优异的性能；孔隙对目标污染物的可及性和表面相互作用的性质同样重要[38,39]。
孔径分布决定了哪些污染物能够进入内部吸附位点。根据IUPAC分类，孔隙分为微孔（<2 nm）、介孔（2–50 nm）和 macropores（>50 nm）[39]。微孔材料特别适用于小分子（如金属离子）和小有机化合物，而介孔则有利于大污染物的扩散[39]。许多活性炭[37,42]同时具有微孔和介孔特性，提供了高比表面积和良好的动力学性能。例如，Portinho等人[42]证明，650°C热解的葡萄茎炭具有显著的微孔性（1099 m2 g?1），能够有效去除咖啡因。
表面化学性质通过官能团的存在和分布起着决定性作用。含氧基团（如羧基（-COOH）、羟基（-OH）、羰基（C=O）和内酯）在热解和活化过程中被引入或修饰[39]。这些材料同时参与多种吸附机制——与金属阳离子的离子交换、重金属的表面络合、与极性有机污染物的氢键结合以及pH值依赖的静电相互作用[1,8,43]。此外，碳质骨架提供了疏水区域和离域的π电子，这使得它们能够与芳香化合物发生π-π堆叠相互作用，这对于去除染料和药物特别重要[4,8,43]。这些结构特性的相互作用导致了不同的吸附机制，这些机制通常会同时发生[38]。静电相互作用发生在带电的吸附剂表面和离子污染物之间，由于官能团的质子化/去质子化，GP衍生碳的表面电荷会随溶液pH值的变化而变化。在零电荷点（PZC）以上的pH值时，表面带负电荷，有利于阳离子的吸附；而在PZC以下，表面带正电荷，增强了阴离子的吸附。这种pH值依赖的行为解释了在使用GP衍生吸附剂的研究中经常观察到的最佳去除效率[7]。离子交换涉及用溶液中的金属离子替换可交换的阳离子（例如来自羧基的H+）[38]。这种机制对于去除重金属特别重要，并且其特点是吸附过程中会按化学计量释放被交换的离子。表面络合指的是金属离子与含氧官能团之间形成内层或外层复合物[38]。这种机制通常表现出较高的结合强度，并且可以根据表面官能团提供的配位环境对特定金属表现出选择性。π-π相互作用发生在碳质基质的芳香环与芳香污染物（包括染料、药物和农药）之间[4,8,44]。石墨化区域的富电子性质促进了与缺电子芳香系统的堆叠，这一点在使用GP衍生材料去除染料的研究中得到了证明[8,45]。疏水相互作用驱动非极性有机化合物吸附到疏水的碳表面上，这对于水溶性有限的新兴污染物特别重要。当污染物分子的尺寸与孔径相匹配时，孔隙填充变得显著，使得污染物被限制在微孔内[39]。动力学和平衡研究进一步揭示了这些机制。GP衍生吸附剂通常遵循伪二级动力学模型[6,7,37]，表明化学吸附是控制速率的步骤——这与表面官能团和特定化学相互作用的重要性一致。平衡数据通常符合朗缪尔（在均匀位点上的单层吸附）或弗伦德利希（在多层吸附的异质表面上）模型，反映了吸附位点的分布和性质[1,6,38]。表2总结了GP衍生碳吸附剂的代表性例子，说明了前体、活化方法及其性质的变化如何转化为对不同污染物类别的去除性能。关于重金属和新兴污染物的具体应用分别在“重金属去除”和“新兴污染物去除”部分进行了详细讨论。表2. 葡萄渣衍生碳吸附剂用于污染物去除的总结。表2. 葡萄渣衍生碳吸附剂用于污染物去除的总结。前体 & 处理方法活化方法BET表面积（m2 g?1）目标污染物去除效率（%）参考文献葡萄渣（缓慢热解，400–500 °C）无（仅热处理）150–200亚甲蓝（阳离子染料）87[6]葡萄渣（700–900 °C热解，60分钟）-0.7–21铜（II）96.6[7]葡萄渣（500 °C热解，120分钟）-3.35铅71.7[34]葡萄渣（700 °C热解，120分钟，无油和多酚）碱预处理和酸沉淀485铅66.5[34]葡萄渣研磨1.6镉92–98[46]葡萄渣渣滓溶解-铅80–100[47]葡萄藤枝（300, 450和600 °C热解）-24.06（300 °C）；11.09（450 °C）；155.18（600 °C）镉，铅88–94[48]葡萄渣（GP）和葡萄茎（GS）（500 °C热解，120分钟）高温蒸汽266（GP）；300（GS）镉，铅Cd: 99（GP）；60（GS）Pb: 99（GP）；GS（95）[36]葡萄茎（500 °C热解，120分钟）物理活化（PA）磷酸（化学活化-CA）723（PA）；968（CA）铅90（PA）；60–65（CA）[35]封装在硅胶中的葡萄茎（溶胶-凝胶工艺）混合溶胶-凝胶硅胶功能化450阳离子偶氮染料Basic Blue 4190–92[43]葡萄茎（软生物质）+化学浸渍（H2SO4）+热解（400–600 °C）+微波活化（400 W，3分钟）N2下的微波辅助活化483亚甲蓝92[37]葡萄渣-粘土复合生物炭热活化，500 °C250罗丹明B79[8]葡萄渣（150 °C热解）无0.25农药氰霜唑-[40]葡萄渣（650 °C热解，120分钟）磷酸-2-巯基苯并噻唑99[49]仅用磷酸处理的葡萄茎；热解，650 °C，120分钟）磷酸4.21（磷酸处理）；1099.86（热解）咖啡因85.196.4[42]葡萄渣-葡萄渣混合物（碳化）热活化，800 °C1290.5四环素，环丙沙星5560[41]废葡萄渣（300, 500和700 °C热解，120分钟）盐酸4.25（300 °C）；44.23（500 °C）；44.23（700 °C）四环素92–96（300 °C）；84–88（500 °C）；48–52（700 °C）[50]3.1.4. 混合和功能化系统虽然原始的生物炭和从GP衍生的活性炭具有有效的吸附能力，但将GP衍生的碳与无机或聚合物相结合的混合系统可以显著提高选择性、稳定性，并引入额外的功能[43,45]。这些复合材料结合了碳质GP的高表面积和芳香特性以及硅胶、金属氧化物或生物聚合物的定制性质，从而实现了超过各组分总和的协同性能[45,51]。硅胶-碳混合物是一类研究较为深入的基于GP的复合材料。Benvenuti等人[43]通过溶胶-凝胶方法开发了一种含有葡萄茎的混合硅胶材料，实现了约450 m2 g?1的表面积和92%的阳离子染料Basic Blue 41的去除效率，最大吸附容量为205.3 mg g?1。硅胶基质提供了增强的热稳定性和机械稳定性，有效克服了原始生物质的常见限制，如再生后的质量损失和低结构抵抗力[43]。动力学实验遵循伪二级模型，表明是化学吸附控制了速率，而平衡数据符合弗伦德利希模型，反映了吸附位点的异质性。在后续研究中，Benvenuti等人[45]将细磨的GP残渣嵌入溶胶-凝胶硅胶中，在优化条件下实现了92%的Crystal Violet去除率——优于原始GP生物炭和纯硅胶。这种改进归因于多种效应的结合：阳离子染料与带负电的硅胶表面之间的静电吸引，以及与GP衍生碳的芳香基团的π-π堆叠相互作用[45]。含有生物聚合物的三元复合材料进一步扩展了基于GP的材料的性能。壳聚糖-硅胶-GP系统将壳聚糖的胺基团（对阴离子物种和某些阳离子染料具有强亲和力）与硅胶的结构稳定性和富含芳香性的GP相结合[51,52]。如图3所示，这些材料通过三种同时发生的机制实现多模式吸附：（i）由硅胶表面促进的静电吸引，（ii）由壳聚糖胺基团实现的化学络合，以及（iii）由GP衍生碳贡献的疏水和π-π相互作用[51,52]。图3. 三元复合材料的表示和吸附机制：（A）用葡萄生物炭和壳聚糖功能化的硅胶结构示意图；（B）三维示意图展示了通过静电吸引、涉及苯环的π-π相互作用和化学络合的多模式去除Crystal Violet（CV）染料的过程。注意：图表通过AI（Gemini 3 Pro，2026年2月）进行了增强。最终内容由作者验证。Rajendiran等人[52]证明，这种三元配置的吸附能力显著高于其各组分的总和，证实了每个组分互补功能带来的协同效应。具有催化活性的混合系统将应用范围扩展到了除了吸附之外的污染物降解。用过渡金属（特别是铁（Fe）和铜（Cu）功能化的GP衍生硅胶-碳复合材料可以激活过氧化氢（H2O2）或过硫酸盐（S2O82?）以生成高反应性的自由基（•OH或•SO4?），能够矿化顽固的有机污染物[53,54,55]。如图4所示，这些系统结合了吸附和高级氧化过程（AOPs），利用了GP的可再生来源，同时为污染物分解提供了催化位点。图4. GP衍生硅胶-碳复合材料作为高级氧化过程的异质催化剂的示意图。编号顺序表示：? 氧化剂（H2O2为蓝色，S2O82?为黄色）通过多孔支撑传递到Fe/Cu金属位点（红色/橙色球体）；? 在金属位点的活化；? 生成羟基（•OH，红色）和硫酸根（•SO4?，橙色）自由基；? 自由基对新兴污染物分子（药物、染料，表示为绿色芳香结构）的攻击；以及? 完全矿化为CO2和H2O。注意：图表通过AI（Gemini 3 Pro，2026年2月）进行了增强。最终内容由作者验证。固定在复合材料表面的金属位点促进了氧化剂分解为自由基的电子转移反应，这些自由基随后非选择性地攻击污染物分子，将其转化为CO2、H2O和无机离子[53]。这种双重功能——同时吸附和降解——特别适用于处理含有不同浓度和混合物的复杂废水基质[54]。尽管混合系统的性能得到了提升，但必须认识到其关键问题。虽然混合和功能化材料在稳定性、选择性和催化活性方面表现出明显优势，但这些改进通常是通过增加处理强度的合成路线实现的[43,45]。溶胶-凝胶方法、化学活化、金属固定以及使用有机溶剂或酸碱催化剂增加了复杂性和环境负担，部分抵消了使用GP作为生物基前体的可持续性优势[8]。当考虑可扩展性和实际应用时，这种功能性能与环境影响之间的权衡变得尤为重要。此外，尽管许多研究在单溶质或模型系统中报告了优异的吸附效率，但在涉及复杂基质和竞争性污染物的实际废水条件下，应严格验证混合化的实际效益[8,54]。未来的发展应优先考虑更环保的功能化策略——例如无溶剂的溶胶-凝胶方法、基于生物的交联剂或使用良性前体的原位矿化——以实现增强功能性与循环经济导向的GP价值化的可持续性目标[8]。3.1.4. 按污染物类别的性能 重金属去除GP衍生吸附剂因其高表面反应性和丰富的含氧官能团而被广泛研究用于从水基质中去除有毒金属[7,34,35,36,46,47,48]。特别关注的是二价和六价物种，如Pb2?、Cu2?和Cr??，它们对人类健康和生态系统构成严重威胁。Silva等人[7]证明，经过热化学改性的GP（700–900 °C热解）表现出超过40 mg g?1的Cu2?吸附能力，超过了在类似条件下测试的几种商业活性炭。作者将这种性能的提升归因于热解过程中引入的羧基和羟基，这些基团促进了离子交换和表面络合。吸附过程是自发的和吸热的，在60分钟内达到平衡，并遵循伪二级动力学，这与化学吸附作为主导机制一致。Jin等人[34]研究了在不同条件下制备的GP生物炭对Pb2?的去除。500 °C热解得到的材料具有3.35 m2 g?1的表面积和71.7%的Pb2?去除率，而碱预处理后进行700 °C热解将表面积增加到485 m2 g?1，但去除率略有降低（66.5%）。这一反直觉的发现强调了表面化学——特别是含氧官能团的可用性——对于金属吸附可能比表面积本身更为关键[34]。与其他农业残渣的比较研究表明了GP的竞争优势。Melia等人[46]发现，原始的、研磨后的GP（1.6 m2 g?1）实现了92–98%的Cd2?去除率，优于小麦、大麦和亚麻残渣在相同条件下的表现。作者将这种效率归因于GP天然的多酚含量，它为金属络合提供了多个结合位点[46]。同样，Ungureanu等人[47]报告使用葡萄渣实现了80–100%的Pb2?去除率，而Li等人[48]使用在300–600 °C热解的葡萄藤枝生物炭实现了88–94%的Cd2?和Pb2?去除率。最佳性能出现在600 °C，这与表面积的增加（155 m2 g?1）和芳香性的增强相关[48]。活化方法对金属去除的影响在比较研究中显而易见。Sardella等人[36]显示，蒸汽活化的GP和葡萄茎（500 °C热解，120分钟）实现了99%的Cd2?和Pb2?去除率，表面积分别为266 m2 g?1和300 m2 g?1。Gimenez等人[35]进一步证明，物理活化（500 °C，蒸汽）的葡萄茎实现了90%的Pb2?去除率，而用H3PO4化学活化则产生了更高的表面积（968 m2 g?1），但去除率较低（60–65%）。这种对比说明了在活化过程中保持有利的表面化学——特别是含氧基团——的重要性，而不是以牺牲功能性的代价最大化表面积[35]。对于氧阴离子物种（如Cr??），表面功能化策略已被证明是有效的。Antoni?等人[11]评估了原始和改性的GP吸附剂对Cr??的吸附能力，发现引入磺酸基团（–SO3H）显著提高了对铬酸根阴离子的选择性。然而，该研究也强调了权衡：化学改性增强了特定相互作用，但减少了总表面积，限制了最大吸附容量——这对过程优化是一个相关考虑因素[11]。GP衍生材料对重金属的固定通过多种机制同时发生，如图5所示。图5. 葡萄渣增值和重金属去除机制的示意图。（顶部）从原始GP到功能化吸附剂的增值工作流程。（中间）四种关键的固定机制：离子交换、表面络合、静电吸引和沉淀。（底部）简化合成溶液与复杂实际废水基质之间的比较，突出了实际应用中的分析挑战。注意：该图通过AI增强（Gemini 3 Pro，2026年2月）。最终内容已由作者验证。在接近中性的pH值下，阳离子金属与带负电荷的表面之间的静电吸引力占主导地位，而离子交换则通过从羧基和羟基中置换质子来发挥作用。表面络合——特别是与氧官能团的内层络合——提供了更强的结合力和更高的选择性[7,34]。在较高的pH值下，金属氢氧化物在吸附剂表面的沉淀可以进一步促进去除效果，尽管这种机制在很大程度上取决于溶液的化学性质[1]。尽管有这些有希望的结果，但大多数研究都是使用单一金属的合成溶液进行的，这些溶液无法反映实际废水矩阵的复杂性[8]。在多金属系统或工业废水中，竞争性吸附和协同效应会显著改变去除效率——这是GP文献中尚未充分探讨的一个方面。这些实际考虑因素，以及再生性能和长期稳定性，在3.1.5节中进行了讨论。总体而言，图5总结了本综述中探讨的GP增值的核心概念，强调了从废物管理到开发符合循环经济和可持续水处理策略的多功能材料的进展。在水和废水处理中，除了金属之外，还有另一类污染物值得关注。由于生物吸附剂的特性，它们已被研究用于去除新兴污染物。

新兴污染物（EPs）——包括药品、个人护理产品、农药和工业化学品——由于其持久性、生物累积潜力以及对人类健康和水生生物的风险（即使在微量浓度下也是如此）而成为全球性问题[56]。传统的废水处理技术往往无法有效去除这些污染物，这推动了对功能性材料吸附等替代方法的兴趣[57]。在这方面，基于GP的碳质吸附剂显示出显著的去除潜力，如表2所示[8,40,41,42,49,50]。药品是使用基于GP的材料研究最广泛的新兴污染物之一。Onat等人[41]通过800°C的热活化从葡萄渣-酒糟混合物中制备了高表面积的活性炭（1290.5 m2 g?1），实现了55%的四环素和60%的环丙沙星去除率。作者将吸附归因于药品的芳香环与碳质基质的石墨结构之间的π-π相互作用，并辅以与表面氧基团的氢键作用[41]。Sa?lam等人[50]研究了在300、500和700°C下热解的葡萄渣对四环素的去除效果。有趣的是，尽管在300°C下热解的材料的表面积较低（4.25 m2 g?1），但其去除效率最高（92–96%），而在较高热解温度（500–700°C）下，尽管表面积增加（44.23 m2 g?1），去除效率却降低了（48–88%）。这一反直觉的发现表明，对于药品吸附而言，表面化学性质可能比表面积更为重要：较低温度下的生物炭保留了参与与四环素分子特异性相互作用的含氧官能团，而较高温度则导致官能团损失，尽管孔隙度有所增加[50]。农药也是使用基于GP的吸附剂的目标之一。Yoon等人[44]评估了在温和热解温度（150°C）下制备的GP生物炭对杀菌剂噻菌灵的去除效果，而Benkhemkhem等人[49]报告称，在650°C下用H3PO4活化的GP碳热解后，2-巯基苯并噻唑的去除率为99%。高去除效率归因于活性炭表面形成的多孔结构和含硫官能团，这些官能团对目标分子具有亲和力[49]。Portinho等人[42]使用葡萄茎衍生的吸附剂研究了广泛存在于水环境中的咖啡因。该研究比较了单独使用H3PO4处理与在650°C下热解的效果，发现热解显著增加了表面积（从4.21 m2 g?1增加到1099.86 m2 g?1），并将去除效率从85.1%提高到96.4%。微孔性和氧官能团的结合通过孔隙填充和氢键机制实现了有效的咖啡因吸附[42]。染料也是使用基于GP的材料进行广泛研究的对象，它们作为理解吸附行为的模型化合物。Colodel等人[6]使用慢速热解生物炭（400–500°C，150–200 m2 g?1）实现了87%的亚甲蓝去除率，吸附遵循伪二级动力学和Langmuir等温线模型。Mechati等人[37]使用微波活化的葡萄茎碳（483 m2 g?1）实现了92%的亚甲蓝去除率（175.4 mg g?1的容量），突显了节能活化方法的潜力。Baroi等人[8]报告称，使用GP-粘土复合生物炭（250 m2 g?1）实现了79%的罗丹明B去除率，展示了混合方法在染料修复中的多功能性。

热解温度与EP去除效率之间的关系并非单调的，似乎取决于污染物类型。虽然一些研究表明在较高温度下由于表面积和孔隙度增加而提高了去除效果[41,42]，但其他研究表明较低温度可以保留对极性或可电离药品进行特异性相互作用所需的表面官能团[50]。这种复杂性强调了需要根据目标污染物的化学性质进行定制材料设计，而不是采用一刀切的处理条件[8]。尽管有这些有希望的实验室结果，但仍需承认几个限制。大多数研究在理想化条件下使用单一溶质的合成系统，这些系统无法反映实际废水矩阵的复杂性，在实际废水中存在竞争性有机物质、无机离子和可变pH值，这些因素会显著降低吸附效率[8,57]。GP衍生材料对EP去除的影响尚未得到充分探索，这是实际应用中的一个关键空白。此外，虽然吸附有效地将污染物从液相转移到固相，但它并不能破坏污染物，这引发了关于废弃吸附剂处理和潜在二次污染的问题[57]。这些实际考虑因素，以及吸附剂再生和与降解过程整合的策略，在3.1.5节中进行了讨论。

3.1.5 实际考虑因素：实际废水、再生和可持续性权衡
虽然前面的章节展示了GP衍生材料在实验室条件下去除污染物的巨大潜力，但实际应用需要对其在真实废水矩阵中的性能、可再生性和长期稳定性进行关键评估，以及不同增值途径所固有的可持续性权衡。绝大多数关于基于GP的吸附剂的研究都是在受控条件下使用含有单一污染物的合成溶液进行的[6,7,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48]。虽然这些简化系统对于建立基本吸附机制和最大容量至关重要，但它们无法反映实际废水矩阵的复杂性，在实际废水中存在多种污染物、溶解有机物和可变pH值[8,57]。只有少数研究在真实或复杂的废水矩阵中评估了GP衍生材料。Nayak等人[58]比较了葡萄渣活性炭（GPAC）和用过的葡萄渣（EGP）处理实际葡萄酒废水的效果，发现在相同条件下GPAC的去除效果更好（84.3% vs 48.5%），表明GP衍生碳即使在葡萄酒厂废水中存在其他成分的情况下也能保持其有效性[58]。Mkilima等人[59]探索了将生物功能化的GP吸附剂与UV-LED消毒结合在市政污水处理厂中的应用，实现了高效率的铅（95.2%）、氟化物（94.4%）和硝酸盐（94.8%）去除，表明GP材料可以有效地整合到现有处理基础设施中[60]。Zhang和Huang[60]研究了负载Zr4+的GP去除实际地下水中的氟化物，系统评估了常见干扰离子（Cl?、NO3?、SO42?、CO32?）的影响；即使在存在竞争离子的情况下——传统吸附剂通常会失效——改性的GP生物吸附剂仍保持了超过90%的氟化物去除效率，突显了表面功能化在复杂矩阵中提高选择性的潜力[60]。这些研究虽然数量有限，但提供了令人鼓舞的证据，表明GP衍生材料在现实条件下可以有效发挥作用，尽管跨不同类型废水的系统研究仍然不足，这是未来研究的关键优先事项[8,57]。

吸附剂的再生能力对其经济和环境可行性至关重要，因为它可以实现多次使用循环，减少废物产生，并降低对新鲜材料持续生产的需求[61,62]。再生过程通过适当的洗脱方法将吸附平衡转变为解吸[61]。已经提出了多种碳质吸附剂的再生策略，包括化学（酸、碱或溶剂洗涤）、生物、热、高级氧化、超声波辅助和电化学方法[63]，每种方法都在解吸效率、材料完整性、操作复杂性和成本之间存在权衡[61,62]。对于GP衍生材料，再生研究仍然有限。Silva等人[7]研究了使用矿物酸解吸负载Cu2+的葡萄渣炭，报告称回收率较低（45–57%），远低于初始吸附效率。这一限制反映了强化学吸附机制（离子交换和表面络合）赋予了高去除能力，但同时也使得解吸变得复杂[7]。相比之下，商业活性炭——通常由不可再生前体如煤或椰壳制成——通常在多次循环中表现出更高的再生效率（经常超过90%）和更大的结构稳定性[7]。然而，这些材料的生产成本较高，并且与其提取和加工相关的环境足迹较大。为了使GP衍生吸附剂具有竞争力，未来的研究必须专注于调整表面化学性质以促进解吸而不损害结构完整性，并优化再生协议，以平衡效率和材料保护。这样的改进对于缩小与商业替代品的性能差距并实现可持续、经济高效的应用至关重要。其他基于GP的吸附剂也遇到了类似的挑战，即那些能够高效吸附的官能团也使得再生变得困难[64,65]。Gkika等人[62]强调，吸附-解吸-再生路径对于废物衍生吸附剂的循环经济整合至关重要，但许多研究仅报告了初始吸附性能，而没有评估多个循环中的稳定性和耐久性[46]。对于GP材料而言，多循环吸附-解吸实验极为罕见，这是一个关键的知识空白[7]。选择解吸剂时必须平衡效果和材料保护：强烈的化学试剂（强酸、有机溶剂）可能实现高解吸率，但会降解吸附剂结构，从而降低后续循环的容量[61]，而热再生可以恢复孔隙度，但能耗较高且可能改变表面化学性质[65]。开发针对GP衍生材料的再生协议——同时保持结构和功能——对于实际可行性至关重要[62]。

本综述反复强调的一个主题是，材料性能的提高往往伴随着处理强度的增加和环境负担的增加——在选择特定应用的增值途径时这是一个关键的权衡[8]。原始GP生物吸附剂需要最少的处理（干燥、研磨），因此嵌入的能量和化学输入较低，但其吸附能力本质上受到天然生物质结构的限制，且可能具有较差的机械稳定性、有机物渗出和再生困难[35,66]。热处理材料（生物炭、活性炭）通过热解和/或活化显著提高了孔隙率和表面积，但这些性能提升是以能耗（典型的热解温度：400–900°C）以及化学活化（H3PO4、KOH、ZnCl2）的使用和相关环境影响为代价的[34,35,36]。生命周期评估原则表明，这些投入必须与改进的吸附能力和多次使用循环的潜力相权衡[67,68]。混合和功能化系统提供了最高的选择性、稳定性和催化功能，但同时也带来了更大的处理复杂性——溶胶-凝胶合成、金属固定、有机溶剂、酸碱催化剂——这可能会部分抵消使用GP作为生物基前体的可持续性优势[43,45,53]。从循环经济的角度来看，合成的环境负担必须通过显著的性能提升、延长的材料寿命或能够去除简单材料无法去除的污染物来证明其合理性[8,54]。解决这些实际考虑因素需要多方面的研究努力。首先，应在真实废水矩阵中进行系统评估，超越单一溶质合成系统，评估在复杂废水中的性能，关注基质效应、竞争性吸附和在现实操作条件下的长期稳定性[8,57]。其次，应开发标准化的再生协议，使多循环吸附-解吸实验成为常规，并系统优化解吸条件，以平衡效率和材料保护[7,62]。第三，结合吸附和高级氧化过程（AOPs）的集成处理配置在混合系统中提供了同时去除和降解污染物的潜力，解决了吸附仅转移污染物而非破坏它们的问题[53,57]。第四，更环保的功能化策略——包括无溶剂合成路线、基于生物的交联剂和原位矿化方法——可以协调增强功能性与可持续性目标[8]。最后，严格的技术经济和生命周期评估对于将GP增值途径与传统吸附剂和废物管理实践进行比较至关重要，为知情决策提供定量基础[67,68,69]。如果系统地解决这些问题，将使GP衍生材料从有前景的实验室概念转变为实际可行的可持续水处理系统组件。多酚衍生功能材料
葡萄渣（GP）富含多酚化合物——儿茶素、槲皮素、花青素和没食子酸（具体成分范围见表1）。这些化合物不仅被用于食品和化妆品领域，还被研究用于开发与水处理相关的功能材料，如下所述。除了其公认的抗氧化、抗菌和防紫外线特性外，利用GP中的这些生物活性物质为传统资源提供了一种战略性的替代方案，使材料开发符合生物经济和循环经济的原则。选择性提取方法——从传统的溶剂基方法到更环保的辅助技术（如超声波和加压热水）——使得多酚能够被整合到功能性聚合物、混合材料或纳米结构系统中。从GP中提取的富含槲皮素的提取物被用于制造可生物降解的薄膜，以生产抗菌包装材料。这些薄膜通过控制释放酚类物质来抑制微生物生长，同时延缓包装食品的氧化过程，从而延长保质期[70]。抗氧化和抗菌活性源于多酚清除自由基和破坏微生物细胞膜的能力。

另一个相关应用是防紫外线涂层。从GP中提取的富含花青素的成分被用于改性纤维素基或生物聚合物薄膜，制造出既能过滤有害紫外线又能保持可见光透明度的材料。这类涂层不仅在食品包装中有潜力，也在个人护理产品（如防晒霜和保护性纺织品）中具有应用价值[1]。

GP中的多酚还可以作为绿色合成金属纳米颗粒（如AgNPs和AuNPs）过程中的天然还原剂和稳定剂。在这些反应中，酚类化合物的羟基和羰基将金属离子还原为金属态，同时封住纳米颗粒表面以防止聚集。所得纳米材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出显著的抗菌活性，并具有催化水中的染料降解的能力[71,72]，这突显了它们在水处理方面的潜力。重要的是，纳米颗粒合成后剩余的GP生物质可以重新用作污染物吸附剂，体现了双重利用策略[70]。

如表3所示，多项研究探讨了GP多酚在制造具有抗氧化、抗菌、防紫外线或生物医学特性的功能材料中的应用。表3还总结了代表性例子，包括提取方法、所得材料类型和性能指标。

从批判性角度来看，尽管这些进展展示了GP多酚的多功能性，但在大规模应用之前仍需解决几个问题。首先，提取方法仍经常依赖乙醇或丙酮；尽管这些溶剂相对无害，但它们的回收和再利用对于可持续工艺设计至关重要。更环保的替代方案（如加压水、微波辅助提取或无溶剂提取）很有前景，但需要优化才能实现工业化。其次，GP的酚类成分因葡萄品种、酿酒工艺和储存条件而异，这直接影响材料性能的可重复性。第三，虽然抗菌和抗氧化功能在简化系统中已经得到验证，但在实际食品基质或复杂废水环境中的验证仍然有限，尤其是在水处理应用方面。最后，双重利用策略（例如先用GP提取物合成纳米颗粒，随后将剩余生物质重新用作吸附剂）代表了有前景的增值途径，但需要全面的技术经济和生命周期评估来确认其环境效益。

3.3 葡萄渣增值途径的比较与批判性评估
为了综合评估前几节讨论的各种GP增值策略，进行了定性比较评估，重点关注与材料性能、加工要求、环境影响和技术成熟度相关的关键参数。技术成熟度采用技术准备水平（TRL）框架进行评估，该框架根据技术发展阶段将其分类，从早期实验室验证（TRL 1–3）到试点规模示范和工业实施（TRL 7–9）[74,75]。

如表4所示，葡萄渣增值途径在性能提升、加工强度和实际应用性方面存在显著差异。基于原始葡萄渣的材料加工要求较低，环境负担较小，但其功能性能受天然生物质结构的限制。相比之下，经过热处理的材料（如生物炭和活性炭）通过加工诱导的孔隙性显著提高了吸附能力，但能耗较高。混合和功能化系统通常提供最高的选择性和稳定性；然而，它们也增加了合成复杂性、试剂消耗和潜在的环境影响。这一比较表明，材料性能的提高往往伴随着加工强度和环境的增加，强调了在选择葡萄渣增值途径时需要平衡决策的重要性。因此，表4提供了一个决策支持框架，将文献报道的性能置于更广泛的可持续性和可扩展性考虑范围内，从而将材料开发与应用导向和生命周期评估联系起来。

综上所述，这些比较表明没有一种单一的葡萄渣增值途径可以被认为是最优的。选择合适的策略取决于预期应用，并需要综合考虑性能提升、加工强度、环境影响和技术成熟度。这种综合视角为下一节讨论的生命周期和可持续性评估提供了基础。

4. 葡萄渣增值的可持续性和生命周期评估
葡萄渣的可持续管理是循环经济和生命周期评估（LCA）框架下的一个重要课题。表5总结了各种葡萄渣增值策略，强调了它们与循环经济原则的一致性。每种方法通过减少废物和创造附加值（无论是通过生产生物肥料、生物活性化合物、功能成分还是纳米材料）来促进可持续性。

表5总结了葡萄渣增值的可持续性效益。表5中提到的应用将在下文进一步详细讨论，突出其可持续性方面。将GP用作堆肥原料可以将其转化为富含营养的有机肥料。Perra等人[5]证明，即使经过多酚提取后的废弃葡萄渣仍可有效堆肥。这一过程不仅改善了土壤结构和肥力，还减少了合成肥料的需求及其相关的温室气体排放。从经济角度来看，它有助于酒庄降低废物处理成本，并可能产生可用于内部农业或外部销售的宝贵资源。

GP是一种已充分记录的多酚来源，具有抗氧化、抗菌和心脏保护作用。Lopes等人[33]和Bochoidze等人[80]强调了Vinh?o葡萄品种的GP在开发功能性食品和化妆品成分方面的潜力。这种升级利用方法将废物转化为高价值投入，支持可持续性目标。从环境角度来看，用GP衍生的天然化合物替代合成抗氧化剂可以减少生态系统中的化学负荷。

使用真菌或其他微生物的发酵过程可以将GP转化为营养保健品或膳食补充剂。Sodhi等人[81]展示了GP微生物转化成具有潜在健康应用的功能产品的过程。这些生物技术方法通常在温和条件下进行——低温和低能耗——并且产生的废物很少。从经济角度来看，微生物增值扩展了GP衍生产品的商业可行性。

GP提取物还被用于绿色合成金属纳米颗粒（如金纳米颗粒（AuNPs），避免了使用有毒还原剂。Gubitosa等人[70]报道了一种使用GP洗涤水作为还原剂和稳定剂来合成AuNPs的方法。这种方法符合绿色化学原则，消除了有害试剂并实现了废物的增值。所得纳米颗粒在化妆品、传感器、制药和水处理技术中具有潜在应用。

即使在多酚提取后，GP仍可有效堆肥。Perra等人[5]表明，减小颗粒尺寸和预处理步骤可以提高残留物的堆肥性能。这种做法实现了GP的完全再利用，确保了生物量的全面循环利用。在农业背景下，所得堆肥增强了土壤的生物稳定性和腐殖酸含量，有助于长期土壤健康。这种综合方法强化了葡萄渣不仅仅是农业废物的观点，而是一种多功能资源。多种增值策略的顺序应用（如先提取高价值化合物再堆肥剩余物质）在实现零废物目标、创造经济价值和减轻环境影响方面特别有效。尽管这些增值途径具有明显的可持续性效益，但仍需系统评估以比较它们的整体环境性能。

4.1 生命周期评估（LCA）的框架
对葡萄渣及其相关酒厂副产品的可持续性评估需要一个严谨的方法论框架，能够捕捉整个增值链中的环境、经济和社会权衡。在这种情况下，生命周期评估（LCA）作为一种成熟工具，可用于量化从摇篮到大门或从摇篮到坟墓的影响，允许比较不同的增值途径和传统废物管理策略[82]。采用ISO 14040/14044方法指南[83,84]对于确保研究的透明度、可重复性和可比性至关重要，特别是在应用不同的功能单元、系统边界和分配标准时[85,86]。

近期文献强调了LCA在葡萄酒行业循环经济过程中的决策相关性。一项针对葡萄茎秆增值的全面LCA研究表明，碱性水解方法的环境影响明显高于非水解方法，主要是由于更高的NaOH消耗和电力需求；然而，当这些影响整合到完整的奶牛系统饮食中时，差异会减弱[87]。这一发现强调了评估整个价值链的必要性——包括上游能源投入、试剂物流和下游系统集成——而不仅仅是关注孤立的操作单元。

对于葡萄渣，LCA不仅作为一种排放平衡方法，还作为一个比较平台，用于评估生物炭、多酚提取物、种子油、沼气和饲料成分等替代生物产品。结合经济指标，该框架可以识别环境效益与财务可行性共存的情景——这是工业采用和可扩展性的基本条件。此外，将LCA评估扩展到葡萄酒残渣管理中，符合全球关于低碳价值链、废物预防和资源效率的指导方针[67,68]。

因此，将LCA作为葡萄渣增值可持续性评估的核心轴，为比较、热点识别和未来优化策略提供了统一的基础。在下一节中，我们将建立一个结构化的LCA框架，定义功能单元、边界和库存参数，以便将其纳入提出的可持续性数据集中。

4.2 生命周期评估框架
基于第4.1节建立的原理，应用于葡萄渣增值的生命周期评估需要系统地定义范围、边界、库存流量和参考指标，以确保不同转化途径之间的可比性。所提出的框架采用从摇篮到大门的配置，从酿酒过程中的生物质生成开始，涵盖运输、预处理、转化、产品回收和最终出口或再利用。在将GP严格视为废物的情况下，上游农业负担可以排除；在归属研究中，可以根据分析目标将其按葡萄质量或经济价值比例分配[69]。

方法的核心是功能单元（FUs）的选择[69]。由于GP可以转化为多种副产品（生物炭、提取物、油、琥珀酸、吸附剂），单一的功能单元不足以全面反映各种应用的表现。因此，可以同时采用多个参考单元：1公斤干GP用于途径比较，1公斤生物炭或1公斤多酚提取物用于特定产品的基准测试，以及1公斤去除的污染物用于评估基于吸附的水处理系统。当考虑生物精炼整合时，经济单位（如每公斤琥珀酸的成本（MSP）有助于将LCA与技术经济指标相结合[67]。

生命周期库存（LCI）必须详细量化与干燥、研磨、提取、碳化、活化或发酵过程相关的所有质量和能量流动。影响类别（如全球变暖潜力（GWP）、酸化潜力（AP）、富营养化潜力（EP）和累积能源需求（CED）的关键因素通常包括运输物流、试剂消耗（例如HCl、H2SO4、NaOH和乙醇）以及蒸汽和电力需求的碳足迹。最后，生命周期影响评估（LCIA）应使用已建立的中点指标（例如ReCiPe、ILCD、TRACI）或终点损害指标（人类健康、生态系统、资源），确保与ISO 14040/14044原则完全一致[83,84]。这种结构化的方法有助于识别最可持续的路径，同时减少不同环境组成部分之间负担转移的风险[83,84]。尽管生命周期评估（LCA）在评估生物质增值的可持续性方面的重要性已被广泛认可，但专门针对用于水处理的葡萄渣基材料的全面LCA研究仍然很少。大多数现有的评估集中在多酚提取[68,69]或生物能源生产[67]上，从而在理解从葡萄渣生产吸附剂和混合材料的全面环境影响方面存在关键空白。未来的研究应优先考虑从摇篮到坟墓的LCA，不仅包括生产阶段，还包括使用阶段（例如，吸附性能、再生周期）和生命周期结束后的管理，以便与传统材料进行稳健的比较，并指导工艺优化。葡萄渣循环增值的总体框架如图6所示。图6. 示意图展示了葡萄渣的循环生物经济。该图详细说明了通过热解和提取的增值途径、在水处理中的应用，以及将废弃生物质作为生物肥料再利用的情况，强调了LCA和循环性。注意：该图通过AI（Gemini 3 Pro，2026年2月）进行了增强。最终内容由作者验证。

5. 比较视角和研究空白
将农业工业废弃物用于环境修复是一个快速发展的领域，有许多候选材料正在争夺研究和商业关注。为了客观评估葡萄渣的战略潜力，有必要与其他已建立的废弃物进行系统比较。本节将葡萄渣置于生物质衍生吸附剂和功能性材料的竞争格局中，突出其独特优势、固有局限性和相对于甘蔗渣、稻壳、椰壳和橄榄渣等主要替代品的最佳应用领域。

5.1 组成和性能基准测试
木质纤维素废弃物作为吸附剂前体的有效性与其物理化学组成密切相关。如第2节所述，葡萄渣的特点是结构纤维（纤维素、半纤维素）丰富，并含有高浓度的多酚化合物（表1）。这种组合在许多其他废弃物中并不明显。例如，虽然甘蔗渣和稻壳含有高量的二氧化硅和纤维素，有利于生产具有高表面积的机械稳定碳，但它们的天然多酚含量通常较低[22,32]。椰壳因其致密的高木质素结构而闻名于生产高质量、高表面积的活性炭，但它缺乏葡萄渣中的多种生物活性成分[88]。
在吸附应用中，葡萄渣衍生的生物炭通常对某些污染物表现出更强的亲和力，这是由于协同机制的作用：碳骨架提供了孔隙率和表面积，而表面结合的多酚基团通过配位、π-π堆叠和氢键实现特定相互作用。产生这些有益特性的制备路线在第3.1.1节中有详细说明，而其背后的机制在第3.1.2节中讨论。例如，在去除阳离子染料和某些重金属（如Cu2+、Pb2+）方面，基于葡萄渣的材料通常能与来自更传统原料的材料相媲美甚至超过它们，这一点从表2[6,7]中的数据可以得到证实。然而，对于需要超高表面积（>1500 m2 g?1）或特殊机械硬度的应用（在某些气相或催化应用中至关重要），椰壳或特定木质活性炭制成的专用材料可能仍具有优势。

5.2 多样性和多产品增值潜力
葡萄渣因其复杂的组成和广泛的应用潜力而被认为是一种高度多用途的农业工业废弃物。与更传统的废弃物相比，葡萄渣具有双重增值潜力：回收用于营养保健品和化妆品行业的生物活性化合物，然后利用剩余的基质进行环境应用[5,71]。
葡萄渣的一个关键竞争优势在于其适合于级联生物精炼方法。与组成更为均匀的废弃物不同，葡萄渣允许依次提取高价值化合物，然后利用剩余的基质（图1）。多酚提取物可以用于营养保健品、化妆品或功能性材料的合成（第3.2节，表3），从而产生抵消处理成本的收入流。剩余的生物质可以转化为用于水处理的生物炭或土壤改良剂。这种多产品策略提高了整体经济性和资源效率，而像稻壳这样的废弃物则不太容易实现这一点，因为其主要的增值途径是二氧化硅提取和碳化。
橄榄渣与葡萄渣有一些相似之处，两者都富含纤维和多酚。然而，其通常较高的脂质和水分含量可能会使处理复杂化，并需要不同的预处理策略。不同地区的增值技术成熟度也有所不同；橄榄废弃物在地中海地区得到了广泛研究，而葡萄渣的增值，特别是来自Vitis vinifera L.品种的葡萄渣，是一个正在发展但同样有前景的领域，具有区域经济意义[1,30]。

5.3 可持续性和局限性
从生命周期的角度来看（第4节），任何生物质增值链的可持续性取决于当地的可用性、收集物流和处理能源。葡萄渣在葡萄酒生产地区的本地丰富度很高，减少了运输排放，确保了当地产业的稳定、低成本供应——这是循环生物经济的一个原则。相比之下，甘蔗渣的广泛使用通常与大型生物精炼厂相关联，而稻壳的可用性具有季节性，并且与稻田地理位置相关。
然而，重要的研究空白仍然阻碍了基于葡萄渣的技术的大规模应用。大多数研究仅限于在实验室条件下进行的批次吸附实验，缺乏能够在实际操作环境中验证材料性能的中试规模或连续流研究。同时，葡萄渣衍生吸附剂的再生能力和长期稳定性也经常被忽视[7]，尽管文献中广泛报道了高达90%的去除效率[6,37,45]。这些效率通常源于葡萄渣功能基团与目标污染物之间的强化学吸附作用，这本质上使得解吸和再利用变得复杂。因此，有效的再生通常需要强酸或有机溶剂等强化学试剂，或高温热处理，这可能会损害结构完整性并显著增加运营成本[7,65]。从循环经济的角度来看，葡萄渣基材料的有限可再生性直接影响生命周期评估（LCA）的结果，增加了与持续生产新鲜吸附剂和废弃生物质管理相关的环境负担[67,68]。此外，系统的LCA和技术经济分析仍然很少[89,90]，限制了与传统材料（包括商业活性炭和合成吸附剂）的稳健比较。虽然化学激活和功能化策略可以显著提高吸附性能，但许多报道的方法依赖于有害试剂，这突显了迫切需要符合工业安全要求和循环经济原则的更绿色合成和再生协议[72]。特别是，葡萄渣衍生吸附剂的再生效率和长期稳定性目前仍落后于商业活性炭，后者通常在多个循环中保持高吸附能力[7]。这一限制，加上缺乏大规模生产数据和标准化测试协议，阻碍了它们在工业应用中立即替代传统材料。因此，通过针对材料耐用性和工艺可扩展性的研究来填补这些空白对于推动葡萄渣基技术的实际应用至关重要。未来的研究应优先考虑标准化的多循环吸附-解吸测试、多尺度性能验证以及综合的技术经济和环境评估，以确定葡萄渣衍生材料的真正可行性，而不仅仅是概念验证研究[68,69]。解决这些挑战对于将葡萄渣从丰富的农业工业废弃物转变为可持续的高价值环境技术的可靠原料至关重要。

5.4 战略定位和未来路径
葡萄渣不应被视为所有现有生物质衍生吸附剂的通用替代品，而应被视为针对特定应用的专用高价值原料。其战略定位在以下情况下最为突出：
- 需要多功能性的应用：同时利用吸附和固有的抗氧化/抗菌性能（例如，在活性包装或反应性过滤介质中）。
- 循环经济激励强烈：葡萄酒产区寻求综合废物转化为资源的解决方案，以改善环境足迹并创造新的收入流。
- 存在特定性能的应用领域：去除与酚类表面化学性质相容的污染物，如特定染料、药品或金属离子。
因此，未来的研究和开发不仅应证明葡萄渣的有效性，还应优化其价值链。这包括：开发针对葡萄渣特定组成的成本效益高的绿色预处理和激活方法；设计最大化其独特性能的混合材料（第3.1.2节）；并对明确定义的应用进行严格的比较LCA和技术经济分析。通过解决这些空白，葡萄渣可以从有前景的实验室材料转变为可持续的、区域集成的水处理和材料生产系统的核心，巩固其在向循环生物经济转型中的作用。

6. 结论
本综述总结了葡萄渣作为葡萄酒工业主要副产品的巨大潜力，作为一种开发可持续功能性材料用于水净化的战略原料。葡萄渣的化学丰富性——含有大量的膳食纤维、多种多酚化合物、脂质和矿物质——为广泛的增值途径提供了基础。这些途径包括直接生产碳质吸附剂（生物炭和活性炭），到创建先进的混合复合材料以及绿色合成多酚衍生纳米材料。
汇编的数据清楚地表明，葡萄渣衍生材料在去除各种水污染物方面表现出高效率，包括阳离子染料、重金属（如Cu2+、Pb2+、Cd2+）和新兴污染物（如药品和农药）。此外，葡萄渣中固有多酚的增值为制造抗菌薄膜和功能性涂层提供了途径，扩展了应用范围，超出了吸附的应用。将葡萄渣与二氧化硅或壳聚糖等生物聚合物结合使用，显著提高了材料的稳定性和选择性，并引入了多功能性，包括高级氧化过程的催化活性。此外，葡萄渣中固有多酚的增值还为制造抗菌薄膜、紫外线防护涂层和金属纳米颗粒提供了途径，将应用范围扩展到了活性和功能性材料领域。
尽管在实验室规模上取得了这些有希望的结果，但这一分析指出了大规模实施的关键挑战。目前该领域主要受限于使用合成废水的批次研究，缺乏在真实废水基质下的中试规模和连续流验证。长期稳定性、再生能力和这些吸附剂在多个循环中的再利用仍然未被充分探索，直接影响其实际可行性。此外，尽管可持续性的论据很强，但很少通过标准化框架（如ISO 14040/44）的生命周期评估（LCAs）进行定量证明。详细的技术经济分析对于将葡萄渣的增值途径与传统的废物管理和已建立的商业吸附剂进行比较是必要的。此外，许多功能化途径仍然依赖于有害试剂，这可能会损害使用农业工业废弃物的生态信誉。
葡萄渣的独特潜力在于其级联增值：依次提取高价值的多酚，然后将剩余的生物质转化为用于水处理或土壤改良的材料。这种生物精炼方法对于真正的循环经济模型至关重要，最大化了资源效率并创造了多重价值流。通过系统地解决已识别的空白，葡萄渣可以巩固其作为向可持续和集成水处理技术转型的支柱的地位。