综述：利用生物炭修复污染土壤和水生态系统中全氟和多氟物质的挑战与环境可持续性

《Current Opinion in Environmental Science & Health》：Remediation of per- and polyfluorinated substances using biochar from contaminated soil and water ecosystems: Challenges and environmental sustainability

本综述深入探讨了利用生物炭修复全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染的前沿进展。文章系统分析了生物炭选择的关键影响因素，包括溶液化学环境、吸附方法（批处理/固定床）、热解温度（>700°C时吸附效果显著提升）以及长链/短链PFAS的不同行为。作者指出，通过孔隙填充、疏水作用和静电吸引等机制，生物炭能有效固定PFAS，但实际应用中仍面临土壤化学变化导致的解吸风险。最后，文章强调了在农业和环境可持续性背景下，开发稳定PFAS、降低其生物有效性和迁移性的修复策略所面临的挑战与未来方向。

　　

引言

全球正面临日益严重的水资源和土壤污染挑战。据联合国世界水发展报告预测，到2050年，将有60亿人面临严重的饮用水短缺问题。目前，全球每年产生约3800亿立方米的废水，预计到2030年将增加24%，到205年增加51%。其中，全氟和多氟烷基物质（PFAS）的长期污染已成为全球性的重大环境问题。工业排放、消防泡沫、垃圾渗滤液、农业活动以及大气沉降等人为活动是PFAS污染的主要来源。PFAS在环境中的归宿和迁移行为主要受疏水作用和静电相互作用等分配过程控制。此外，PFAS也存在于农业土壤中，废水回用和再生水灌溉是其潜在来源。目前PFAS的修复方法包括吸附、离子交换树脂、光催化和反渗透等，但各自面临挑战。

生物炭作为一种由木材、作物残留物和粪便/生物固体等原料制成的富碳材料，是环境修复和农业应用的一种多功能替代品。近期研究总结了使用原始生物炭、活化生物炭和生物炭复合材料去除PFAS的效果及最大吸附量对应的实验条件。然而，使用生物炭从含有多种污染物的实际废水中去除PFAS的效率仍面临挑战，特别是在不同环境因素下选择合适的吸附方法以及针对再生水和废水选择合适生物炭方面仍存在困难。因此，本文旨在概述使用生物炭进行PFAS修复所面临的挑战和局限性，重点关注溶液化学与环境因素、吸附方法、生物炭热解温度的选择、PFAS行为（长链与短链）以及生物炭-PFAS应用对农业和环境可持续性的限制。

溶液化学和环境因素

溶液的pH值和共存离子通常会改变溶液化学环境，从而影响PFAS在生物炭表面的吸附-解吸行为。例如，研究表明，对于实际样品，随着pH值升高，PFOS在各种生物炭（如树皮、桉树、堆肥和木炭细粉制备的生物炭）上的吸附量会减少，这是由于生物炭表面负电荷与PFAS阴离子之间静电排斥力增强所致。此外，钙离子（Ca²⁺）等二价阳离子可以通过阳离子桥接机制促进PFAS吸附。溶解有机质（DOM）的存在会与PFAS竞争生物炭表面的吸附位点，从而抑制PFAS的吸附。因此，理解溶液化学对于优化PFAS修复策略至关重要。

关于吸附方法的挑战

通常采用批处理吸附和固定床柱实验来评估生物炭或其他吸附剂的吸附潜力。研究比较了原始和铁改性花旗松生物炭对PFOS和PFOA的吸附效果。在批处理吸附中，铁改性生物炭对PFOS和PFOA的最大吸附容量（Q_m）分别为14.6 mg/g和652 mg/g。而在固定床柱实验中，原始生物炭对PFOS和PFOA的Q_m分别为215.3 mg/g和53.0 mg/g，铁改性生物炭则分别为51.9 mg/g和21.8 mg/g。这表明吸附方法的选择显著影响观测到的吸附性能，在实际应用设计中需予以考虑。

热解温度的选择

热解温度是决定生物炭物理化学性质的关键参数。例如，在900-1000°C下热解的铁改性花旗松生物炭，具有约700 m²/g的高比表面积和约0.25 cm³/g的大孔容，在自然水体pH 6-8的批处理吸附中，对PFOS和PFOA的Q_m分别达到14.6 mg/g和652 mg/g。另一项研究合成了500°C、700°C和900°C的芦苇秸秆生物炭（RSB），发现短链PFBA在900°C制备的RSB上最大吸附率约为80%，而在500°C和700°C制备的RSB上吸附可忽略不计（<5%）。较高的热解温度（>700°C）通常导致更高的碳化程度、更大的比表面积和更强的芳香性，这些特性通过孔隙填充、疏水相互作用和静电吸引有利于PFAS吸附。

长链与短链PFAS

PFAS的链长显著影响其与生物炭的相互作用。研究比较了短链PFBA和长链PFOA在RSB上的去除效果。长链PFOA在700°C和900°C制备的RSB上去除率无显著差异。而短链PFBA在700°C制备的RSB上去除率可忽略不计，但在900°C制备的RSB上则有显著去除，表明短链PFAS的去除效率随生物炭热解温度升高而增强。长链PFAS由于其更强的疏水性，通常表现出更高的吸附亲和力，π-π相互作用也增强了生物炭的芳香性，从而促进吸附。在土壤环境中，长链PFAS在生物炭-土壤界面也因土壤的疏水性而具有高吸附性；然而，变化的土壤化学条件下的原位吸附-解吸行为仍对将PFAS固定在土壤中构成挑战，并可能导致地下水污染。

农业和环境可持续性面临的挑战与环境权衡

废水灌溉、生物固体应用和垃圾渗滤液会导致PFAS释放到土壤中，引发植物吸收和地下水污染。研究分析了沙子和生物炭改良生物滤池对暴雨径流中PFAS的修复效果，发现使用森林硬木（热解温度<850°C）制备的纯新鲜生物炭仅观察到PFAS浓度的轻微降低。先前研究也强调了理解生物炭修复PFAS后其环境归宿和潜在浸出风险的重要性。因此，需要权衡生物炭修复PFAS的效益与其长期环境足迹。未来的修复策略，如土壤洗涤技术和吸附，应旨在稳定土壤和水体基质中的PFAS，最终阻碍其生物有效性和迁移性。

结论和未来展望

PFAS对土壤和水体的污染给自然生态系统和人类健康带来风险，因此迫切需要高效、可扩展的修复措施。生物炭应用作为一种有前景的吸附剂已崭露头角。本文深入探讨了选择具有合适理化性质的生物炭合成条件所面临的挑战，涉及溶液化学、环境因素、PFAS行为和吸附方法。未来研究应侧重于优化生物炭改性技术以提高其对短链PFAS的吸附能力，评估实际复杂环境基质中生物炭的长期性能，并开发集成修复技术，同时进行全面的生命周期评估，以确保PFAS修复策略的环境可持续性。