综述：生物炭在水中去除微塑料应用方面的趋势

《Bioresource Technology Reports》：Trends in the applications of biochar for the abatement of microplastics in water

本文系统综述了生物炭及其改性材料在微塑料（MPs）治理中的应用，分析了物理吸附与化学吸附机制，探讨了改性技术（如酸碱活化、磁控合成）对吸附性能的提升，并评估了与光催化、膜过滤等技术的协同效应。研究指出生物炭的高比表面积和可调表面化学使其成为循环经济中的高效污染物吸附剂，但需解决再生困难、环境风险及复杂污染条件下的适用性问题，未来需结合AI优化设计并拓展多污染物协同治理。

　　随着现代社会对塑料材料的广泛应用，微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）的广泛释放已成为一个全球性的问题。这些微小的塑料颗粒已经渗透到各种环境介质和生物系统中，对生态系统和人类健康构成了严重威胁，包括内分泌干扰、生殖问题以及心血管疾病等。面对这一挑战，全球正在关注有效的修复策略。在众多解决方案中，生物炭因其高比表面积、可调节的表面化学特性、成本效益以及潜在的废物资源化能力，逐渐成为解决微塑料污染的重要手段。本文综述了生物炭在水体中去除微塑料的最新进展，并探讨了其在协同技术中的应用前景，包括光催化、膜过滤、高级氧化工艺、人工湿地、微生物水平基因转移以及利用机器学习和人工智能进行数据驱动的解决方案。同时，本文也分析了生物炭在吸附微塑料过程中涉及的吸附机制和主导因素，识别了其应用中的关键限制，并提出了战略方向以克服这些挑战。此外，文章还讨论了生物炭在推动循环经济和促进环境可持续性方面的重要作用，强调了其作为吸附剂和土壤改良剂的多功能性。

### 1. 引言

塑料在现代生活中扮演着不可或缺的角色，从包装材料到基础设施建设，塑料的使用已经渗透到各个领域。然而，这种广泛的使用也带来了环境和健康方面的挑战。根据联合国的报告，自20世纪50年代以来，全球已生产了约92亿吨塑料，其中70亿吨进入了废弃物流，导致垃圾填埋场超载并污染了湖泊、河流、土壤和海洋等自然环境。每年，大约有19到23亿吨的塑料废弃物进入水生生态系统，对水生生物多样性和水质造成了严重影响。塑料污染不仅影响生态环境，还通过改变栖息地和干扰自然过程，削弱了生态系统应对气候变化的能力。这些变化对数亿人的生计、粮食安全和整体福祉产生了深远影响。

此外，塑料的制造过程是全球能源消耗最严重的工业过程之一。2019年，塑料生产导致了18亿吨温室气体排放，占全球总排放量的3.4%。其中，90%的排放来自于塑料生产和化石燃料的转化。尽管塑料在现代生活中无处不在，但其对环境和气候的影响却令人担忧。因此，开发创新和可持续的解决方案以去除和修复微塑料成为当务之急。

微塑料和纳米塑料的出现是由于大型塑料物品的逐渐降解，它们的环境持久性和广泛的分布使其成为21世纪的主要环境挑战之一。微塑料的直径小于5毫米，而纳米塑料则介于1纳米至100纳米之间。这些微小颗粒的多样性和复杂性使得它们在环境中的行为难以预测，从而对生态系统和人类健康构成潜在威胁。例如，人类可以通过摄入受污染的食品和饮料、吸入空气中的微塑料颗粒或直接接触皮肤等方式暴露于微塑料中，这些暴露途径可能引发炎症、内分泌功能紊乱和其他不良健康结果。

新兴研究表明，塑料中的一些化学物质和添加剂可能具有内分泌干扰特性，这些化合物可能对激素平衡、生殖健康、不孕症以及肾病和多种癌症的风险产生影响。此外，还存在越来越多的证据表明，暴露于这些塑料衍生的化学物质与血脂异常、胰岛素抵抗、肥胖和糖尿病有关，这些疾病都是心血管疾病的重要风险因素。世界卫生组织（WHO）强调，塑料危机本质上是一个公共卫生问题，因为它加剧了气候变化、生物多样性丧失和环境退化等相互交织的挑战，对人类健康构成了重大威胁。

大量的科学研究已经揭示了塑料生命周期的每一个阶段所涉及的健康风险和潜在的不良影响。这些负面效应尤其对儿童和孕妇等最脆弱的群体造成了严重影响。一项由WHO发布的最新报告指出，在饮用水中检测到微塑料颗粒，淡水样本的颗粒浓度在每升0到1000个之间，而饮用水样本（通常使用较小的滤网进行分析）的单个样本浓度范围为每升0到10000个，平均值介于每升10?3到103个之间。这表明，开发创新且可持续的方法以去除和修复微塑料变得尤为紧迫。

### 2. 理解吸附过程和不同微塑料的吸附

吸附是去除微塑料的一种有效方法，它通过物理和化学相互作用来实现高去除效率，同时避免了污泥副产物的产生，这使其成为一种更加环保的替代方案。近年来，吸附材料的研究取得了显著进展，各种吸附剂如活性炭、纳米颗粒、石墨烯基材料和生物材料被广泛用于高效去除新兴污染物，包括微塑料。

尽管多种技术已被开发用于去除微塑料，但吸附方法因其高效率和无污泥副产物而脱颖而出。吸附材料的选择至关重要，它们必须便宜且易于获取。根据联合国环境规划署（UNEP）2024年发布的《全球废弃物管理展望》，预计到2050年，市政固体废弃物的产量将从2023年的21亿吨增加到38亿吨。如果缺乏及时干预，这一数字到2060年可能会翻三倍，给生态系统和人类健康带来严重后果。

吸附过程中的关键参数包括吸附效率和吸附容量。吸附效率是指从原始溶液中去除吸附质的百分比，通常通过初始和最终浓度计算得出，并以百分比形式表达。吸附容量则指单位质量或体积的吸附剂可以吸附的吸附质质量，通常以毫克/克（mg·g?1）表示。这些参数对于评估吸附材料的性能至关重要。

### 3. 生物炭对微塑料的吸附

生物炭是一种从生物质通过热解过程产生的碳基材料，其高比表面积、可调节的表面化学特性、成本效益以及废物资源化潜力使其成为一种有前景的解决方案。生物炭的生产涉及热解过程，其中生物质在有限的氧气供应下进行高温分解，产生生物油（一种碳氢化合物混合物）、合成气（一种碳氢化合物气体混合物）和生物炭（一种固体产物）。这一过程不仅有助于废物管理，还为去除微塑料提供了潜在途径。

生物炭的吸附能力可以通过多种方法进行优化，包括物理、化学和生物方法。物理方法如蒸汽活化、气体活化、球磨、磁性处理和微波辅助活化，已被广泛研究和应用。这些方法可以提高生物炭的比表面积、孔隙体积和孔隙分布，从而增强其对污染物的吸附能力。化学方法，特别是酸碱浸渍，可以更精确地控制生物炭的表面功能和组成。常见的化学活化剂包括氢氧化钠（NaOH）、硝酸（HNO?）、硫酸（H?SO?）、氢氧化钾（KOH）、盐酸（HCl）、硫酸钾（K?SO?）和氯化锌（ZnCl?）。这些活化剂能够去除结构水和羟基，导致碳骨架的重构并形成微孔，同时通过氧化作用引入含氧官能团，提高表面反应性和防止焦油形成。

生物炭的吸附机制涉及多种相互作用，包括物理吸附和化学吸附。物理吸附主要依赖于范德华力和疏水相互作用，而化学吸附则涉及更强的相互作用，如共价键和氢键。这些相互作用在不同的吸附过程中发挥不同的作用，它们的相对重要性取决于微塑料的类型和环境条件。此外，生物炭的吸附能力还受到其表面电荷、孔隙结构和官能团的影响。例如，HCl活化生物炭显示出更高的吸附容量，这是由于其表面电荷的显著增加和含氧官能团的引入。

### 4. 生物炭与循环经济：重塑废弃物以创造更清洁的未来

随着全球人口的迅速增长，废弃物的产生，特别是有机废弃物，正在急剧增加。因此，有效利用资源和制定战略解决方案以实现有效的废弃物管理变得尤为重要。尽管垃圾填埋仍然是市政固体废弃物处理的主要方法，但其有限的土地可用性导致这些填埋场迅速达到容量极限。垃圾填埋还可能引发污染物向土壤和水体的渗漏，最终进入食物链。因此，开发更环保的处理方法，如生物炭的使用，成为解决这一问题的关键。

生物炭的生产过程能够利用各种有机废弃物，如森林生物质、农业残渣、食品工业废料、动物饲料和市政废弃物，从而将废弃物转化为有价值的资源。这一过程不仅有助于废物管理，还能提高生物炭的吸附能力，使其在去除微塑料方面表现出色。生物炭的多功能性使其不仅能够作为吸附剂，还能作为土壤改良剂，支持资源回收和长期碳封存。

生物炭在循环经济中的应用还体现在其能够减少温室气体排放和促进可持续发展方面。通过将有机废弃物转化为生物炭，可以减少二氧化碳的排放，同时提高土壤肥力和水体净化能力。此外，生物炭还可以用于农业和工业领域，如能源生产、建筑材料和污染治理。这些应用不仅有助于减少塑料污染，还能促进环境可持续性。

### 5. 生物炭应用的局限性与潜在负面影响

尽管生物炭在去除微塑料方面表现出色，但其应用仍然存在一些关键的局限性和潜在的负面影响。首先，生物炭的再生问题是一个重要的挑战。生物炭在使用后可能需要通过脱附过程进行再利用，但这一过程可能产生二次污染的风险。此外，生物炭的再生效率受到多种因素的影响，包括温度、湿度、酸碱度和污染物的性质。

其次，生物炭的环境风险也是一个需要关注的问题。修改后的生物炭可能产生新的污染问题，例如酸性或碱性处理可能导致残留化学物质的渗漏，而金属浸渍的生物炭可能释放有毒离子。纳米级的生物炭虽然提高了吸附能力，但也引发了关于纳米颗粒毒性和长期生态影响的担忧。因此，需要开发更安全的修改方法，以减少这些风险。

第三，生物炭的吸附能力和相关成本优化也是一个关键问题。尽管化学活化和混合复合材料可以提高性能，但它们通常涉及较高的成本和能源消耗。因此，开发低成本、高效率的生产方法成为研究的重点。生命周期评估（LCA）研究表明，不同方法对环境的影响存在显著差异，这需要根据具体情况优化生产过程。

第四，生物炭在去除微塑料方面的吸附机制仍然需要进一步研究。关键因素包括孔隙结构、表面电荷和疏水性，这些因素在混合污染物系统中可能影响去除效率。此外，纳米级微塑料由于弱的范德华力，其吸附机制更为复杂。研究表明，磁性或聚合物修饰的生物炭可能提高对微塑料的选择性，但其长期稳定性尚未得到充分验证。

除了上述挑战，生物炭在处理多种污染物时可能面临非特异性吸附和竞争吸附的问题。例如，某些污染物如四环素、环丙沙星和腐殖酸可能会占据生物炭表面的活性位点，从而影响其对微塑料的吸附能力。此外，生物炭在生物处理系统中的应用可能会导致微生物附着，进而引发生物膜形成、堵塞和吸附效率下降的问题。在生产过程中，空气中的细小生物炭颗粒的释放也可能对工人健康构成威胁。目前，主要的缓解策略包括工程控制措施，如封闭反应器和湿化剂，以及个人防护装备（PPE）。然而，创新性的生物炭颗粒化和封装技术为减少粉尘相关风险提供了新的可能性。

### 6. 未来展望

未来的研究方向可以集中在探索生物炭与微生物水平基因转移（HGT）的协同作用，以增强微塑料的修复效果。这一创新方法利用生物炭的吸附能力与微生物固定化潜力相结合，通过促进基因交换来优化微生物群落，使其更有效地降解微塑料。此外，生物炭还可以作为处理重金属污染和控制抗菌素耐药基因（ARGs）转移的工具。例如，生物炭在同时受污染的土壤中可以有效减少ARGs的传播，从而在农村污水处理和农业系统中发挥重要作用。

随着对生物炭应用的深入研究，其在微塑料修复中的潜力正在逐步显现。未来的研究应强调更广泛的聚合物谱系，包括PET、PVC和PA，以提高环境相关性。此外，开发集成分析技术，如拉曼光谱与质谱或电化学分析的结合，可以显著提高微塑料和纳米塑料检测的灵敏度和全面性。同时，设计便携式、实时监测平台可以减少对复杂实验室分析的依赖。在计算建模方面，结合机器学习和人工智能的方法为微塑料检测和优化生物炭性能提供了巨大的潜力。

### 7. 结论

生物炭及其改性形式已成为解决微塑料污染的重要手段。未来的研究应优先考虑将生物炭与先进的处理技术相结合，以优化其在实际废水处理中的效果。生物炭的多功能性使其不仅能够作为微塑料的吸附剂，还能作为催化剂促进微塑料的降解。此外，生物炭在推动循环经济和促进环境可持续性方面发挥着重要作用，其作为吸附剂和土壤改良剂的双重功能为环境修复提供了新的可能性。

为了确保生物炭在实际应用中的有效性，需要进行中试规模的实验，以验证其在工业和市政废水系统中的性能。从实验室到实际应用的过渡面临诸多挑战，包括复杂废水环境中竞争吸附、生物炭被有机和无机污染物堵塞、柱系统中的水力效率问题以及处理后生物炭-微塑料复合物的分离困难。因此，开发更高效的吸附材料和处理技术，以及优化生物炭的再生和回收方法，是未来研究的重点。

生物炭的开发和应用不仅有助于解决微塑料污染问题，还能促进资源回收、碳封存和环境可持续性。随着科学研究的深入，生物炭的多功能性和环境友好性将使其成为未来环境管理策略中的关键组成部分。通过将生物炭与循环经济原则相结合，可以实现更高效的污染控制和生态系统的恢复。