在静态和动态流动系统中使用生物炭来修复受污染的雨水径流中的全氟和多氟烷基物质

《Remediation》：Using Biochar in Static and Dynamic Flow Systems to Remediate Per- and Polyfluoroalkyl Substances From Contaminated Stormwater Runoff

本研究评估了13种不同来源生物炭对含PFAS污染雨水的吸附能力，发现静态流实验中部分生物炭对PFAS去除率达99%。动态流实验表明，长链PFAS比短链更易被吸附，其中BC-F和BC-M在连续69天运行中表现优异，但不同材料吸附效率差异显著，可能与孔隙结构、比表面积及表面化学性质相关。研究证实生物炭作为绿色吸附剂在PFAS污染控制中的潜力，建议结合材料改性优化长期性能。

　　本研究聚焦于如何利用生物炭吸附技术来应对受污染雨水中的全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染问题。PFAS是一类广泛存在的有机污染物，因其化学稳定性高、难以降解，已成为水体污染的重要来源之一。随着城市化进程的加快和极端天气事件的增多，雨水径流中的PFAS污染问题日益严重，尤其是在工业和商业区域。因此，寻找一种高效、环保的污染治理方法显得尤为迫切。本研究提出生物炭作为一种绿色替代方案，用于PFAS污染雨水的处理，并通过静态和动态流系统评估其去除效果，为实际应用提供科学依据。

在实验设计方面，研究人员首先对13种不同来源的生物炭材料进行了初步筛选。这些生物炭材料涵盖了植物废弃物（如农业残渣、松木、木屑等）和废水污泥，其制备方式各异，性能也存在显著差异。通过静态流实验，研究团队发现某些生物炭材料对PFAS的去除效率可高达99%。这表明生物炭在处理PFAS方面具有良好的潜力，尤其适用于雨水污染治理。然而，实验结果也显示出不同材料之间的性能差异，这可能与它们的物理化学特性有关，例如比表面积、孔隙结构等。

为了进一步评估生物炭在实际运行条件下的表现，研究团队还设置了动态流实验。实验采用定制的透明PVC柱，模拟了真实环境中的雨水处理场景。实验过程中，研究人员对不同生物炭材料进行了连续69天的测试，观察其在不同PFAS化合物上的吸附行为。结果表明，某些生物炭材料在长期运行中表现出良好的PFAS去除能力，能够有效降低污染物浓度。例如，BC-F材料在处理多种PFAS时表现出较高的去除效率，而BC-L和BC-M材料则显示出较差的性能。值得注意的是，虽然某些生物炭材料在静态实验中表现优异，但在动态系统中却未能维持相同的效率，这提示我们应更加关注材料在长期运行中的稳定性。

在实验过程中，研究人员采用了多种分析方法，包括高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）技术，用于准确测定PFAS的浓度变化。此外，实验还考虑了实际雨水样本中的复杂成分，如其他污染物和离子强度，这可能会影响PFAS的吸附行为。通过对比不同PFAS的链长和功能团类型，研究人员发现长链PFAS的去除效率普遍高于短链PFAS，而PFAS的功能团类型对吸附能力的影响则相对较小。这一现象可能与生物炭的高疏水性有关，其表面富含芳香环和烷基链，能够与长链PFAS产生更强的相互作用，从而提高吸附效率。

从实验结果来看，不同生物炭材料在去除PFAS方面的表现存在显著差异。例如，BC-B和BC-F材料在处理多种PFAS时表现出较高的去除效率，而BC-H和BC-I则几乎无法有效去除污染物。这种差异可能源于材料的物理化学特性，如比表面积、孔隙结构等。研究还发现，某些生物炭材料在动态系统中表现出更高的去除能力，这可能与其在实际运行中能持续吸附污染物的能力有关。例如，BC-M（基于污水处理污泥制备的生物炭）在动态实验中对部分PFAS表现出较好的去除效果，尽管其在静态实验中表现一般。这说明材料的制备来源对其吸附性能有重要影响，尤其是当材料具有不同的化学组成时。

为了更准确地评估生物炭的吸附能力，研究人员对实验数据进行了拟合分析，并计算了达到80%去除率所需的床体积（BV）。对于部分PFAS，由于数据点不足，无法进行准确的计算，因此标记为“非可计算”（n.c.）。然而，对于其他PFAS，如PFBS和PFHxA，研究团队成功估算了达到80%去除率所需的床体积，其中某些材料的床体积远高于其他材料。例如，BC-G在处理PFHxA时所需的床体积为25 BV，而BC-L仅为13 BV，这说明BC-L在处理某些PFAS时具有更高的吸附效率。这些结果不仅揭示了不同生物炭材料的性能差异，也为实际应用中选择合适的材料提供了依据。

此外，研究还发现，生物炭材料在实际应用中具有一定的可再生性。通过热处理、化学脱附或微波处理等方法，可以实现生物炭的再生，从而降低其在长期使用中的成本。这一特性使得生物炭成为一种可持续的环境修复材料，尤其适用于需要长期运行的雨水处理系统。相比之下，传统的活性炭等材料虽然在去除PFAS方面表现出色，但成本较高且不易再生，限制了其在大规模应用中的可行性。

在讨论部分，研究人员进一步分析了PFAS去除效率与生物炭物理化学特性的关系。他们指出，生物炭的比表面积和孔隙结构是影响其吸附能力的关键因素。然而，实验结果并未完全支持这一假设，因为某些比表面积较大的生物炭材料在去除效率上并不优于比表面积较小的材料。这表明，除了比表面积外，其他因素如表面官能团、孔隙分布等也可能对PFAS的去除效率产生重要影响。例如，某些生物炭材料的表面带有负电荷，这可能导致与短链PFAS（如PFBA）之间的静电排斥，从而降低其吸附效率。而长链PFAS由于具有更强的疏水性，能够克服这种排斥，实现更高效的吸附。

从实验设计的角度来看，静态和动态实验的结果具有一定的互补性。静态实验能够快速筛选出性能优异的生物炭材料，而动态实验则更接近实际应用环境，能够反映材料在长期运行中的表现。研究团队通过这两种实验方式，全面评估了生物炭在PFAS去除方面的潜力。尽管静态实验中某些材料表现出较高的去除效率，但在动态系统中，这些材料的性能可能有所下降，这可能与吸附饱和、材料结构变化等因素有关。因此，在实际应用中，应综合考虑静态和动态实验结果，选择适合特定应用场景的生物炭材料。

在实验过程中，研究人员还考虑了环境因素对PFAS去除效率的影响。例如，雨水中的离子强度和共存污染物可能会影响生物炭的吸附能力。此外，季节变化也可能对PFAS的去除产生影响，如冬季积雪融化后，污染物可能被迅速释放到环境中，导致水质恶化。因此，生物炭在这些极端天气条件下的表现也值得进一步研究。尽管本研究主要关注PFAS的去除效率，但其结果也为其他污染物的治理提供了参考。

从研究的意义来看，本研究不仅为PFAS污染治理提供了一种新的解决方案，还推动了生物炭在环境修复领域的应用。生物炭作为一种绿色材料，其来源广泛，成本低廉，且具有可再生性，这使其在环境治理中具有显著优势。此外，生物炭的制备方式和来源对其性能有重要影响，因此，未来的研究应进一步探索如何优化生物炭的制备工艺，以提高其对PFAS的去除效率。例如，通过表面改性（如引入铁离子）或调整孔隙结构，可以增强生物炭对PFAS的吸附能力，同时保持其经济性和可持续性。

研究团队还指出，虽然某些生物炭材料在静态实验中表现出优异的去除效率，但在动态系统中可能无法维持相同的性能。这提示我们，在实际应用中，应关注生物炭的长期稳定性，以确保其在持续运行中的有效性。此外，实验结果还表明，不同PFAS的去除效率可能受到其化学结构的影响，因此，在选择生物炭材料时，应根据具体的污染物类型进行优化。例如，针对长链PFAS，可以选择比表面积较大、孔隙结构适合的生物炭材料，以提高吸附效率。

总的来说，本研究通过静态和动态实验，系统评估了生物炭在去除PFAS方面的潜力。结果表明，生物炭是一种有效的绿色解决方案，能够显著降低受污染雨水中的PFAS浓度。尽管不同材料之间存在性能差异，但部分生物炭材料在长期运行中表现出良好的去除能力，这为实际应用提供了重要的参考。此外，研究还强调了生物炭在环境治理中的可持续性和经济性，为其在更大范围内的推广奠定了基础。未来的研究应进一步探索生物炭的制备工艺和优化方法，以提高其在不同应用场景下的性能，并推动其在实际雨水处理系统中的应用。