综述：将污水污泥转化为铁碳复合材料用于环境修复：关于合成、协同效应和可持续性的关键综述

《Bioresource Technology》：Sewage sludge valorization into iron-carbon composites for environmental remediation: A critical review on synthesis, synergy, and sustainability

铁碳复合材料通过协同效应实现污泥资源化，建立合成-结构-性能关联并首创量化评价框架，分析其在污染治理中的应用瓶颈与长期稳定性挑战，提出AI驱动材料发现与精准制备的解决方案。

　　随着全球人口的持续增长以及城市化和工业化的加速推进，废水排放量正以前所未有的速度上升。这一趋势不可避免地导致了污水处理过程中产生的污泥量激增，使得污泥处理成为全球范围内重要的环境与基础设施挑战之一。污泥的处理不仅关系到资源的合理利用，还直接影响着环境的可持续发展。传统的污泥处理方式主要包括填埋、焚烧、直接农业利用以及海洋倾倒等，然而这些方法都伴随着显著的环境、经济和公共卫生风险。例如，填埋虽然操作简便且成本较低，但会占用大量土地资源，并产生大量的温室气体排放，尤其是当污泥在填埋场中分解时，会生成污染严重的渗滤液，对地下水和周边土壤生态系统构成严重威胁。而焚烧虽然能够实现污泥体积的大幅缩减并消灭病原体，但其过程需要大量能源和昂贵的设备，同时可能释放有害空气污染物，对空气质量产生负面影响。

面对这些挑战，全球范围内正逐步推动从线性“取-制-弃”模式向循环经济模式的转变。这一转变的核心在于如何将废弃物转化为有价值的资源，从而减少对环境的负担。欧盟的《循环经济行动计划》就是一个典型的政策框架，强调通过资源回收来实现可持续发展。这一政策导向促使了“废物变资源”（waste-to-value）技术的快速发展，尤其是在污泥处理领域。然而，尽管政策推动了技术创新，但新的材料产品仍面临严格的监管审查。例如，许多国家和地区对污泥直接农业利用的限制正在扩展至包括新兴污染物如药物残留、微塑料和全氟和多氟烷基物质（PFAS）在内的更广泛范围。这些污染物的残留或转化可能影响最终材料的安全性，进而限制其应用范围和公众接受度。

与此同时，污泥的农业利用也被视为一种可持续的再利用方式。污泥中含有丰富的有机质和必要的宏量营养元素，如氮和磷，这些成分能够有效提升土壤的肥力。然而，这种做法也伴随着潜在的健康风险。未经处理或处理不充分的污泥可能含有大量病原体，包括病毒、原生动物和细菌，这些微生物可能在农作物中积累，并对农业工作者造成直接的毒理风险。此外，污泥中还可能含有复杂的化学污染物，这些污染物来源于家庭和工业废水的处理过程。如果这些污染物被用于农业，可能会在土壤中长期积累，并通过植物吸收进入食物链，引发慢性生态问题和公众健康隐患。

在环境污染日益加剧的背景下，污泥处理与环境修复技术的结合显得尤为重要。土壤、地下水和地表水的污染问题主要由工业化学品、重金属和难降解有机化合物引起，对公共健康和生态系统的稳定性构成严重威胁。这一问题推动了全球环境修复市场的快速发展，预计未来几年该市场将达到数百亿美元的规模。然而，许多现有的环境修复技术在实际应用中面临高昂的成本和复杂的操作流程，限制了其推广。例如，活性炭作为一种广泛使用的吸附剂，虽然在污染物去除方面表现出色，但其高成本使得在发展中国家的应用受到限制。因此，开发一种成本低廉、可持续且易于部署的新型功能性材料成为当务之急。

在这一背景下，基于污泥的铁-碳（Fe-C）复合材料因其独特的性能和潜在的环境价值而受到广泛关注。污泥中的铁元素通常来源于污水处理过程中使用的铁盐，如氯化铁。这种天然存在的铁成分使得Fe-C复合材料的制备无需额外引入昂贵的铁源，从而降低了生产成本。同时，污泥中的有机成分可以转化为稳定的碳骨架，为Fe-C复合材料提供高比表面积的吸附性能。此外，污泥中富含的磷和氮等异原子，不仅可以作为肥料使用，还能在碳结构中充当掺杂剂，增强材料的催化或吸附能力。更重要的是，污泥中还含有大量的无机成分，如二氧化硅、氧化铝、氧化钙和氧化铁等，这些成分在Fe-C复合材料的制备过程中能够进一步提升其功能特性。

Fe-C复合材料之所以具有吸引力，不仅在于其成本效益，还在于其多功能性。该材料能够通过多种机制去除广泛的污染物，包括吸附、化学还原和高级催化氧化等。这种多机制协同作用使其在处理复杂的污染源，如工业废水和垃圾渗滤液时表现出卓越的性能。然而，尽管实验室研究显示了Fe-C复合材料的优异性能，其在实际应用中的表现仍存在显著差距。这主要是由于实验室环境与实际应用环境之间存在复杂的工程和水文地质障碍。例如，在实际的土壤和地下水修复过程中，材料的长期稳定性和对复杂污染物的适应性仍然是亟待解决的问题。

因此，本文旨在全面分析基于污泥的Fe-C复合材料的合成、结构与性能之间的关系，并提出一种新的、量化的评估框架，以更精确地理解“铁-碳协同效应”（iron-carbon synergy）。此外，本文还探讨了从实验室研究到实际应用的挑战，分析了污泥中固有污染物的复杂命运及其可能引发的二次风险，并提出了一个面向未来的研发路线图，包括高精度材料制备、人工智能驱动的材料发现以及先进的原位表征技术。通过这些研究，本文希望为Fe-C复合材料的进一步开发和应用提供科学依据和技术指导，推动其从实验室走向实际工程应用，从而实现污泥资源化利用与环境污染治理的双重目标。