综述：利用可再生碳基材料高效去除水环境中砷和锑的研究进展

这篇综述系统总结了可再生碳基材料（生物炭、活性炭、碳纳米管和石墨烯）在去除水体砷(As)和锑(Sb)污染中的应用，重点分析了材料制备方法、吸附动力学（伪二级模型）、等温吸附（Langmuir/Freundlich模型）及表面络合等机制，为水处理技术提供了低成本、高效率的解决方案。

　　

引言

随着重工业快速发展，砷(As)和锑(Sb)作为典型阴离子态重金属，通过采矿、冶炼废水进入水体，对生态环境和人体健康构成严重威胁。世界卫生组织(WHO)将饮用水砷含量上限从0.05 mg·L^?1调整为0.01 mg·L^?1，而中国锑矿区周边水体浓度高达163 μg·L^?1，远超国家标准(5 μg·L^?1)。传统化学沉淀法产生大量污泥，膜技术成本高昂，而吸附法因操作简便、成本低廉成为研究热点，其中可再生碳基材料因其比表面积大、官能团丰富等优势脱颖而出。

可再生碳基材料及制备方法

生物炭(Biochar)

通过生物质在限氧条件下热解制得，含60%以上碳及多种微量元素。慢速热解(350–450°C)可获得60%产率，而快速热解主要生成生物油。磁性γ-Fe₂O₃负载生物炭通过Fe-O-Sb键合实现Sb(III)吸附，最大容量达77.44 mg·g^?1。

石墨烯(Graphene)

Novoselov团队首次通过机械剥离法制备单层石墨烯，其比表面积达2630 m²·g^?1。氧化石墨烯(GO)表面富含-COOH、-OH等基团，与MnFe₂O₄复合后对As(V)吸附量高达207 mg·g^?1。

碳纳米管(CNTs)

分为单壁(SWCNTs)和多壁(MWCNTs)，电弧法制备的FeO_x@CNTs通过表面络合吸附Sb(III)，容量达172 mg·g^?1。

活性炭(AC)

物理活化法(800–1000°C)产生丰富微孔，化学活化法通过H₃PO₄处理提升效率。锆铁氧化物改性活性炭对Sb(V)的吸附符合Langmuir模型，最大容量11.8 mg·g^?1。

吸附机制与影响因素

动力学与等温模型

伪二级动力学模型主导吸附过程，表明化学吸附（如表面络合）是关键机制。As(V)在pH 3–6时以H₂AsO₄^?形态被静电吸附，而Sb(III)在pH 2–10呈中性Sb(OH)₃，需氧化为Sb(V)后去除。

环境因素

温度升高促进吸热吸附，ΔG<0证实过程自发。PO₄^3?因竞争活性位点显著抑制吸附，而Cl^?影响微弱。

关键机制

1. 物理吸附：依赖材料孔隙结构，如纳米铁氧化物/活性炭(857 m²·g^?1)通过微孔捕获污染物。
2. 表面络合：Fe-OH与As/Sb形成Fe-O-As/Sb键，XPS谱图证实键合存在。
3. 氧化还原：MnOx修饰生物炭将Sb(III)氧化为Sb(V)，提升吸附效率。

挑战与展望

当前研究多限于实验室静态吸附，未来需开展动态柱实验验证工程适用性。多功能复合材料设计、再生技术开发（如热化学法）及环境风险评估将是重点方向。石墨烯基材料虽性能优异，但规模化制备成本仍需优化，而生物炭因原料广泛、成本低廉更易推广。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献支持结论）