综述：生物炭的命运：从制备改性与多污染物去除到工程应用的全面剖析

《Separation and Purification Technology》：The fortune of biochar: A comprehensive dissection from preparation and modification to multipollutants removal and engineering application

本综述系统梳理了生物炭（biochar）的制备技术（高温热解、水热合成等）与改性策略（物理、化学、生物法），重点阐释了其通过界面化学络合、电子传递等机制去除重金属（如Pb(II)）和有机污染物的机理，并探讨了其在光催化、能源存储等新兴领域的应用潜力。文章指出，纳米颗粒团聚、长期生态风险及高成本是规模化应用的挑战，未来需借助密度泛函理论（DFT）、机器学习（ML）及全生命周期评估（LCA）等技术，推动生物炭基材料从实验室走向工程应用。

　　

Abstract

生物炭作为一种绿色低成本的 porous carbon material，在环境污染修复领域展现出巨大潜力，但其原始形态因吸附效率低、催化活性弱、稳定性不足等缺陷限制了实际应用。本文系统综述了生物炭的各种典型制备技术和主要改性策略，特别聚焦于改性生物炭在去除重金属、类金属和有机污染物方面的机制，详细分析了界面化学络合、电子转移和氧化还原反应。然而，其大规模应用仍面临一些实际挑战，如纳米颗粒团聚、未发现的长期生态风险和高制备成本。未来，需要通过微观技术实现精确控制，结合原位表征方法和密度泛函理论（DFT）计算来阐明结构-性能关系。此外，可通过整合机器学习来建立跨学科技术创新，以完善原料-工艺-性能的映射关系。更重要的是，通过构建与技术经济评估（TEA）相结合的全生命周期评估（LCA）系统来平衡环境效益与安全性，以促进高性能生物炭基材料从实验室研究向工程应用的转化。

Introduction

近年来，生物炭已成为环境领域一种广泛可用且低成本的功能材料。然而，原始生物炭已无法满足我们对高性能材料的需求，因其存在固有缺陷，如吸附效率低、催化活性弱、稳定性不足和再生性能差。为加强应对措施，改性生物炭已发展成为提高性能和扩大应用范围的关键替代方案，也正成为环境领域的研究热点。改性生物炭在提高污染物去除效率方面效果显著。例如，氨基接枝生物炭光催化剂对罗丹明B的降解速率是未接枝生物炭的10倍。嵌入二硫化钼的锯屑生物炭对Pb(II)具有优异的吸附容量（189 mg/g）、高选择性和良好的可回收性。在土壤污染修复领域，原始生物炭对阳离子重金属有一定的固定作用，并可通过吸附降低有机污染物的生物有效性。但也存在释放有毒污染物、影响土壤微生物群落等潜在风险。

此外，生物炭在新兴领域也有了新的探索。溶胶-凝胶法结合高温煅烧等多种技术，实现了纳米材料（TiO₂、Fe₃O₄）与生物炭的高效复合，从而增强了吸附-催化协同效应。例如，生物炭负载的纳米核壳结构（biochar/TiO₂/CoFe₂O₄）作为一种光催化材料，可在可见光下催化降解有机污染物。受此启发，有望与磁分离技术结合实现高效回收，并探索生物炭基材料在改善储能方面的潜力。

目前，生物炭研究也面临诸多挑战。大多数研究仍处于实验室研究或小规模试验阶段，与大规模实际应用尚有相当距离。环境影响研究的局限性导致目前对生物炭在复杂环境中长期效应的认识不足。例如，在探索生物炭活化过二硫酸盐（PDS）的功效时，未能系统考察pH、温度等环境因素对生物炭结构损伤的长期影响。评估生物炭基材料在调节土壤有机污染物生物有效性方面的作用，缺乏对不同气候条件下材料长期生态响应机制的分析。此外，关于老化生物炭的长期环境影响及长期田间试验数据的研究较少，难以全面评估生物炭在自然环境中的长期稳定性和安全性。实践中，生物炭的应用性能仍需提升，主要因其吸附容量、光催化效率等性能在复杂环境中易受影响。

此外，在生态风险评估方面仍存在多重挑战。由于缺乏系统的评估框架以及对毒性机制的研究深度不足，导致研究间的可比性较低。研究发现，评估生物炭环境影响的实验结果存在显著差异，这是由于缺乏标准化的暴露浓度、毒性终点和测试方法。在毒性研究层面，现有研究未能充分分析细胞和分子水平（如DNA损伤、基因表达调控）的作用机制，特别是生物炭纳米复合材料的长期毒性效应尚未完全揭示。此外，对去除机理的揭示仍基于实验现象的描述，较少结合密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学模拟等理论方法，难以深入揭示污染物与生物炭相互作用的界面过程和能量变化规律。

而且，生物炭材料的高生产成本限制了其大规模推广应用。例如，某些硒改性生物炭的成本比富硒生物炭高83.40%，使其难以大规模应用于砷修复，且材料回收后的稳定性尚未得到系统研究。由于实际应用场景的复杂性，生物炭在多种污染物共存、不同水质和不同土壤条件下的性能和效果有待进一步验证。

基于广泛研究，发现现有综述多集中于单一污染物的去除机理或停留在性能的宏观描述。然而，本工作将界面化学相互作用（如金属-硫络合、羧基静电吸引、硫空位捕获）和电子转移过程（如光生电子介导的Cr(VI)还原、醌基驱动的氧化还原反应）作为重要方面之一，系统整合了改性生物炭对多污染物的去除潜力和综合机制。进一步提出通过密度泛函理论（DFT）等理论工具揭示污染物-生物炭相互作用的微观动力学规律，以弥补当前微观机理解析的不足。目前，大多数研究很少将长期生态风险与经济可行性结合，仅提及大规模应用的困难。本综述的主要差异体现在深入分析了常被忽视的长期生态风险，包括老化生物炭引起的金属离子在土壤-地下水系统中的迁移，以及过量的生物炭基材料对微生物活性的抑制作用。另一方面，提出了基于生命周期评估（LCA）和技术经济评估（TEA）的平衡策略。最重要的是，本工作打破了局限于传统场景的限制，扩展性地探索了生物炭基材料在新兴领域的应用潜力，如光催化、储能和功能涂层等。此外，还提出了模块化改性工艺和跨领域协作建议。总之，本工作构建了一个从微观机理优化到宏观工程应用的完整研究框架，有望指导生物炭基材料从实验室研究向多领域实际应用转化，充分释放其环境和经济价值。

Preparation methods of biochar

生物炭主要来源于农业废弃物，包括玉米秸秆、稻秆、咖啡渣、松果壳等，以及生物质，如桉树、水葫芦、海藻等。根据反应环境，主要制备方法可分为三类。高温热解是指在惰性气氛下，生物质在高温下经历脱水、热解等反应形成多孔碳材料的过程。水热合成则是在密闭容器中，利用水作为反应介质，在亚临界或超临界条件下将生物质转化为生物炭。微波热解利用微波加热使生物质快速升温热解，具有加热均匀、效率高的特点。

Modification technologies of biochar

从材料角度看，单一生物炭对重金属离子的吸附能力有待提高。值得注意的是，不同原料来源的生物炭结构和性质差异显著，直接影响污染物去除性能。例如，虽然椰壳衍生的生物炭碳含量高，但未改性时缺乏发达的原始孔隙结构和足够的表面官能团，导致其性能有限。改性技术主要包括物理改性（如蒸汽活化、球磨）、化学改性（如酸、碱、氧化剂处理以引入或增强表面官能团）和生物改性（如利用微生物处理）。纳米材料复合（如与MoS₂、TiO₂、Fe₃O₄复合）是提升生物炭性能的有效策略，可显著增强其吸附和催化能力。

Heavy metals removal

重金属的去除主要依赖于协同多机制，并且生物炭基材料在废水处理中表现出针对特定污染物的特异性。研究表明，MoS₂B/CaCO₃/Alg复合凝胶珠在0.4 g/L的投加量下，能有效吸附复杂模拟铅蓄电池废水中的Pb(II)，使其浓度降至0.05 ppm以下。MoS₂@biochar的含硫官能团通过金属-硫络合和静电吸引吸附Pb(II)。其他机制还包括阳离子-π相互作用、表面沉淀和还原反应（如将高毒性的Cr(VI)还原为毒性较低的Cr(III)）。

Potential risks and challenges

尽管改性生物炭在某些应用领域显示出显著优势，但其应用也带有双重环境风险。例如，过量的TiO₂@BC作为修复剂会损害微生物活性，金属组分（如单原子催化剂、复合材料）的离子浸出可能具有毒性。此外，制备过程中高温热解（> 600 °C）易导致孔隙塌陷，降低吸附效率。纳米颗粒的团聚、长期生态风险的不确定性以及高生产成本也是主要挑战。在实际复杂环境中，生物炭的性能可能因共存离子、pH变化等因素而受到影响。

Risk assessment and response strategies

为降低改性生物炭应用相关的生态毒性和过程副作用潜在风险，需要建立三级安全评估体系。在短期实验室阶段，通过高通量测序分析生物炭投加量对微生物多样性的抑制作用，并同步检测金属浸出风险。在中试阶段构建10 m³规模的反应器，监测实际工况下的长期性能衰减和二次污染风险。最终，结合生命周期评估（LCA）和技术经济评估（TEA），建立涵盖材料从“摇篮到坟墓”的全链条风险评估框架，平衡环境效益与安全性。

Conclusions

作为环境修复领域的重要创新方向，生物炭基材料已形成从制备优化、机理分析到功能拓展的系统研究体系。主要制备技术有高温热解、水热合成和微波热解。其中，高温热解通过控温（300–900 °C）优化孔隙结构和表面活性位点，但面临高能耗和潜在孔隙塌陷问题。改性技术显著提升了生物炭对重金属（如Pb(II)、Cr(VI)）和有机污染物的去除能力，机制涉及界面化学络合、电子转移和氧化还原等多种途径。然而，其大规模应用仍受限于纳米颗粒团聚、长期生态风险不明、高成本等挑战。未来研究应注重利用原位表征和密度泛函理论（DFT）等微观技术阐明结构-性能关系，结合机器学习（ML）优化制备工艺，并通过集成LCA和TEA的评估体系推动生物炭基材料从实验室研究向多领域工程应用的安全、高效转化。

Funding

本工作得到了中国广东省自然科学基金（2023A1515011324）、广东省重点建设学科科研能力提升基金（No. 2024ZDJS038）和2025年大学生创新训练计划（S202511349056, X202511349121）的资助。

Authors' contribution

所有作者均对研究的构思和设计做出了贡献。文献收集和整理由李莎、尹雪、孙艳君、郭震、吴磊完成。李莎撰写了本手稿的初稿。手稿由刘云松和唐媛媛审阅和编辑。所有作者均阅读并批准了最终手稿。

Declaration of competing interest

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本工作报告的内容。

Acknowledgments

本工作得到了中国广东省自然科学基金（2023A1515011324）、广东省重点建设学科科研能力提升基金（No. 2024ZDJS038）和2025年大学生创新训练计划（S202511349056, X202511349121）的资助。