综述：生物质衍生的水碳化物和活性炭在药物污染治理中的应用：全面概述

《RSC Advances》：Biomass-derived hydrochar and activated carbon in pharmaceutical pollution mitigation: a comprehensive overview

水热碳化（HTC）制备的活性炭（HDAC）因其高比表面积、丰富的氧官能团及可持续的制备工艺，成为去除水体抗生素污染的有效吸附剂。研究显示，HDAC对磺胺甲噁唑的吸附容量可达650.8 mg/g，通过π-π相互作用和化学吸附显著提升去除效率。然而，HDAC存在pH敏感性（最佳pH 6-8）、非选择性吸附及再生效率低（循环5次后容量下降18-23%）等问题。通过优化活化条件（如ZnCl?活化温度升至700℃）和开发复合材料（如MOFs功能化），可部分解决上述问题，但规模化应用仍需降低能耗并完善再生技术。摘要长度：94字。

　　随着环境问题日益突出，特别是水体中出现的药物污染物，如抗生素、抗炎药物、β-受体阻断剂、抗癫痫药物和止痛药，对生态系统的威胁日益加剧。这些污染物在传统污水处理厂中往往难以被有效去除，因此需要探索更加高效和可持续的处理技术。近年来，水热炭化（Hydrothermal Carbonization, HTC）生成的水热炭（hydrochar）和水热炭衍生的活性炭（hydrochar-derived activated carbon, HDAC）在去除药物污染物方面展现出显著潜力。水热炭作为一种碳质材料，其合成过程在较低温度（180–250 °C）下进行，避免了传统热解炭化所需的高温（300–700 °C），从而显著降低了能耗并减少了排放。同时，水热炭能够直接处理高含水率的生物质原料，无需复杂的干燥步骤，使得其在资源回收和循环经济中具有独特的价值。

水热炭的特性，如丰富的含氧官能团（如–OH、–COOH、–C–O–）和可调的表面化学特性，使其在去除极性污染物时表现出优越的吸附能力。这些官能团通过氢键作用、π–π相互作用和疏水效应等机制，提高了对污染物的吸附效率。相比之下，热解炭（pyrochar）通常具有较高的芳香性和较低的官能团含量，这使得其在去除极性药物污染物时存在局限性。水热炭和HDAC在去除药物污染物方面的表现通常优于传统活性炭和热解炭，这主要得益于其独特的表面化学和结构特性。例如，水热炭从马粪中制备时，其比表面积仅为4.62 m2/g，吸附能力较低，而通过ZnCl?活化的HDAC则展现出显著提升的比表面积（1326 m2/g）和吸附能力（416.7 mg/g），这一效果主要由π–π相互作用和化学吸附所驱动。同样，葡萄籽水热炭在KOH活化后，其对磺胺甲恶唑的吸附能力达到650.8 mg/g，进一步证明了水热炭在去除药物污染物方面的巨大潜力。

尽管水热炭和HDAC在去除药物污染物方面表现出色，但其在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，水热炭的非选择性吸附特性可能导致对非目标污染物的吸附，从而降低其对特定药物污染物的去除效率。其次，水热炭对pH值的变化较为敏感，其最佳吸附性能通常在pH 6–8的范围内。最后，再生效率的限制也是水热炭应用的一大障碍，经过五次循环后，其吸附能力可能会减少18–23%。这些问题不仅影响了水热炭在实际废水处理中的应用，也限制了其在工业规模上的推广。

为了克服这些挑战，研究者们正在探索多种改进策略。例如，通过化学活化技术（如KOH或ZnCl?活化）提高水热炭的比表面积和孔隙率，以增强其吸附能力。同时，引入绿色活化方法，如H?O?/HCl活化，不仅可以提高比表面积，还能降低活化成本。此外，对水热炭进行功能化修饰，如引入金属-有机框架（MOFs）或磁性材料，能够显著提升其对特定药物污染物的吸附选择性。例如，磁性松木水热炭与MOFs结合后，对四环素的吸附能力达到169.23 mg/g，并且具有超过90%的再利用率。这些改进策略不仅提高了水热炭的性能，还为其在废水处理中的应用提供了更广泛的前景。

水热炭的生产过程和特性受多种因素影响，包括原料类型、温度、反应时间以及生物质与水的比例。不同的原料会导致水热炭的性质差异显著，如稻壳水热炭的比表面积高达49.5 m2/g，而马粪水热炭的比表面积仅为11.7–16.5 m2/g。温度的变化对水热炭的生成和性能有重要影响，较高的温度通常促进脱挥发和脱水，从而降低水热炭的回收率并影响其结构特性。此外，反应时间对水热炭的性能也有一定影响，但其作用相对较小。生物质与水的比例则对水热炭的碳含量和孔隙率具有显著影响，较高的比例可以提高水热炭的碳含量和孔隙率，从而提升其吸附能力。

在实际应用中，水热炭的吸附性能还受到实验条件的影响，如pH值、污染物浓度、接触时间、水热炭用量以及溶液体积。pH值的变化会影响污染物的电离状态和水热炭的表面电荷，从而影响吸附机制，如氢键作用和静电相互作用。例如，稻壳水热炭对左氧氟沙星的吸附性能在中性pH条件下达到最佳，而酸性或碱性条件可能降低其吸附能力。此外，污染物浓度和接触时间也对吸附性能产生影响，高浓度和长时间接触通常有助于提高吸附效率，但过高的浓度可能导致吸附位点饱和，从而降低去除效率。水热炭的用量和溶液体积则是决定吸附能力的关键因素，适当的用量可以提高吸附效率，但过量使用可能增加处理成本。

为了进一步提高水热炭和HDAC的吸附性能，研究者们正在探索多种优化方法。例如，通过调整水热炭的制备参数，如温度、反应时间和原料与水的比例，可以生成具有更高比表面积和孔隙率的水热炭。此外，引入绿色活化方法，如蒸汽活化或酸碱活化，不仅能够提高水热炭的吸附能力，还能降低生产成本和环境影响。在某些情况下，使用双活化方法（如H?PO?和K?CO?）能够显著提升水热炭的比表面积和孔隙率，使其在去除复杂污染物方面更具优势。例如，使用ZnCl?活化的褐藻水热炭对环丙沙星的吸附能力达到416.7 mg/g，这表明化学活化在提高水热炭性能方面具有重要作用。

在实际应用中，水热炭的吸附机制涉及多种相互作用，包括氢键作用、π–π相互作用、静电相互作用、疏水作用和物理吸附。这些机制的协同作用使得水热炭能够有效去除多种药物污染物。例如，水热炭对磺胺甲恶唑的吸附主要依赖于氢键作用和静电相互作用，而对四环素的吸附则主要由化学吸附和π–π相互作用驱动。此外，水热炭的表面化学特性对其吸附性能具有重要影响，丰富的含氧官能团能够促进多种吸附机制，提高其对药物污染物的去除效率。

尽管水热炭和HDAC在去除药物污染物方面展现出显著优势，但其在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，非选择性吸附可能导致对非目标污染物的吸附，降低其对特定药物污染物的去除效率。此外，水热炭对pH值的敏感性限制了其在复杂水体环境中的应用。因此，研究者们正在探索提高水热炭选择性吸附能力的方法，如引入特定的官能团或结合其他处理技术，如生物处理和高级氧化工艺。这些策略不仅能够提高水热炭的吸附性能，还能增强其在实际废水处理中的适用性。

为了推动水热炭技术的广泛应用，还需要解决其规模化生产和再生效率的问题。目前，水热炭的生产成本较高，特别是在化学活化过程中需要使用昂贵的活化剂。因此，开发低成本的活化方法，如蒸汽活化或生物催化剂，对于降低生产成本和提高可持续性至关重要。此外，再生效率的提升也是水热炭应用的关键，现有的再生方法通常能耗较高，且可能破坏水热炭的结构。因此，探索低能耗的再生技术，如微波脱附或超声波脱附，对于提高水热炭的再利用率具有重要意义。

综上所述，水热炭和HDAC在去除药物污染物方面展现出显著潜力，但其在实际应用中仍需克服非选择性吸附、pH敏感性和再生效率低等挑战。通过优化制备工艺、引入绿色活化方法和功能化修饰，水热炭的性能可以得到显著提升，从而在废水处理中发挥更大的作用。未来的研究应重点探索提高水热炭选择性吸附能力、开发高效的再生技术和优化其在不同废水处理场景中的应用条件，以实现其在环境治理中的广泛应用。