编辑推荐：
本文聚焦生物炭在废水处理中的应用，综述其绿色合成与改性技术，比较不同改性方式对吸附能力的影响（如化学、热、机械改性等），探讨相关吸附机制、分析方法，还指出研究挑战与前景，为废水处理提供参考。
引言
水是生命之源，但全球水资源危机日益严峻。据世界卫生组织（WHO）和联合国儿童基金会 2019 年报告，全球 26%（22 亿）人口无法获取安全饮用水 。在印度这个缺水国家，9700 万人缺乏安全用水，且 21% 的传染病与不安全用水有关。工业废水里的染料和重金属污染严重，对人类健康和水生生态系统危害极大。
染料广泛用于纺织、塑料等行业，每年约 10 - 15% 的工业用染料流入废水。它们是复杂有机污染物，水溶性强，去除困难。废水里的染料会影响水体透光、干扰光合作用、降低含氧量，还具有毒性。一些染料甚至致癌、致突变，威胁人类健康，破坏水生生态平衡。
重金属如铅、砷、汞等，来自能源、采矿等众多行业废水，以及车辆排放、农业污水。它们不可生物降解，在生态系统中不断累积，超出一定限度就会危害生物。去除工业废水中的重金属迫在眉睫。
传统处理重金属的方法有化学沉淀、电化学处理、生物处理和吸附等，还有膜过滤、离子交换等方法。而处理染料和重金属常用生物降解、生物同化和吸附。
目前研究出多种吸附材料，像金属 - 有机框架（MOFs）、碳纳米管等。MOFs 有高孔隙率和结晶度，吸附能力强，但存在处置和健康问题。碳纳米管价格昂贵，表面杂质去除成本高，且不溶于水，还对环境有毒害。
生物吸附因操作简单、成本低被广泛接受。活性炭虽吸附效果好，但价格高。于是，农业废弃物衍生的生物炭成为研究热点。生物炭原料丰富、成本低，操作简便且环保。其原料包括小麦秸秆、稻壳等植物废弃物，还有细菌、藻类。这些原料含有的木质纤维素由纤维素（40 - 50%）、半纤维素（20 - 30%）和木质素（10 - 25%）组成，其中的官能团有助于吸附染料和重金属。
制备生物炭主要有热解和水热碳化（HTC）两种方法。热解在缺氧环境下进行，产物性质取决于原料、温度和前后处理。改性后的生物炭因高比表面积、多孔结构和多种官能团，吸附性能优异，其表面的阴离子基团有利于吸附阳离子染料和重金属。
生物炭的激活包括添加官能团、引入金属纳米颗粒等，可根据染料性质选择合适方法。化学激活常用酸、碱、盐等，还会结合机械和热改性提升吸附能力。机械改性通过减小颗粒尺寸增加比表面积，热改性则将生物炭转化为多孔的活性炭。水热碳化是低温（200°C）过程，以水为媒介，能制备出含 -OH 和 -COOH 等官能团的吸附剂，如稻壳制备的吸附剂比表面积可达 15.74 m2/g 。
不过，生物炭研究还存在一些问题，比如生物炭改性与吸附能力关系不明确，缺乏定量分析。本文旨在总结生物炭制备和改性的研究成果，比较不同改性方式对吸附能力的影响，探索其在废水处理中的潜力。
生物炭改性综述
生物炭改性是一个循序渐进、多种方式结合的过程，每种改性方法都有特定目标，主要包括机械、热和化学改性。机械改性通过切割、研磨等方式减小农业原料颗粒尺寸，增加单位质量生物炭的吸附表面积。热改性则是将生物炭转化为碳化材料，使其孔隙更多、活性位点增加，提升吸附能力。
化学改性最为关键，它通过与不同供体试剂（如胺类、表面活性剂、季盐、酸碱等）相互作用，引入阳离子官能团。化学激活能增加生物炭的官能团数量，引入金属纳米颗粒或磁性纳米颗粒，增强表面电荷，提高对特定染料和重金属的吸附能力。具体的改性方式和化学试剂选择，取决于染料的化学性质和天然亲和力。
改性生物炭对吸附机制的影响
溶液的 pH 值对吸附容量影响很大，因为物理和化学吸附都依赖于吸附剂（生物炭）和吸附质（染料和金属离子）之间的相对离子强度和兼容性。许多吸附机制，如氢键、电荷辅助氢键、吉田氢键、络合、沉淀、配位、π - π 堆积、孔隙填充等，都与吸附剂和吸附质的离子状态密切相关。不同的改性方式会改变生物炭的表面性质，进而影响这些吸附机制的发生和效果。
生物炭表征的分析方法
机械、热和化学改性的优势在于能提高生物炭的吸附容量。通过多种表征方法，可以评估热解温度、化学试剂、前驱体和吸附剂粒径等因素对改性生物炭的定性和定量影响。这些方法包括扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、比表面积分析（Brunauer - Emmett - Teller，BET）、粒度分析仪、X 射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）等。实验研究中报告的吸附剂性质和容量，都是通过这些方法定性确定的。
挑战与未来展望
利用丰富廉价的前驱体制备的改性生物炭，性能虽有显著提升，但化学或热改性有时存在危险且成本高昂，这限制了其在工业上的大规模应用。此外，生物炭处置不当、稳定性不足，可能导致吸附的污染物重新释放到环境中。生物炭材料本身及其改性方法的化学毒性，也是需要关注的问题。
未来研究可借助同步加速器 X 射线、梯度提升回归（GBR）模型、人工神经网络（ANN）、人工智能（AI）和机器学习（ML）预测模型等技术，深入分析生物炭改性与吸附容量的关系，更准确地评估激活机制和吸附容量，为经济、可持续的废水处理提供理论支持。
结论
通过机械、热改性和化学激活等不同的单独或组合改性步骤，可以有效提高廉价且丰富的木质纤维素基生物炭的吸附容量。测量改性吸附剂的吸附容量，并结合相关表征结果，可以评估生物炭的升级效果。颗粒尺寸减小（机械改性）、碳化温度（热改性）和化学激活剂的类型等因素，都会对生物炭的吸附性能产生显著影响。
