综述：有机污染物降解利用木质素衍生碳材料作为环境修复的可持续方法

这篇综述系统阐述了木质素衍生碳材料(LDCMs)在环境修复中的应用潜力，重点探讨了其合成方法(包括热解、水热碳化HTC和化学活化)、降解机制(生物/化学/物理降解及混合系统)以及在染料、农药和药物化合物等持久性污染物去除中的卓越表现。文章强调LDCMs凭借高比表面积(可达3675 m2/g)、可调孔隙结构和丰富官能团等特性，在实现循环经济(circular economy)和可持续废水处理(sustainable wastewater treatment)方面展现出独特优势。

　　

引言

工业化进程导致染料(如活性蓝CA系列)、农药和药物化合物等有机污染物大量排放，其中合成染料在纺织废水中浓度可达2000 mg/L，而抗生素等药物残留会破坏水生生态系统。传统处理方法存在效率低、成本高和二次污染等问题，亟需开发基于可再生资源的解决方案。

LDCMs的合成与特性

木质素作为最丰富的可再生芳香族资源，占木质纤维素生物量的15-30%。通过碱性水解、有机溶剂提取等传统方法，以及新兴的深共熔溶剂(DESs)和醛辅助分馏(AAF)等技术可获得高纯度木质素。典型合成工艺包括：

• 热解碳化：在700-900°C惰性气氛下处理木质素磺酸盐(LS)，形成多孔碳材料(LPC-700)，比表面积达3178 m²/g
• 水热碳化：在100-250°C水热预处理后结合KOH活化，获得分级多孔结构
• 化学活化：KOH或ZnCl₂活化显著提升孔隙率，其中湿法KOH活化可同步实现碳化和活化，产率达2109 m²/g

污染物降解机制

生物降解：微生物群落通过好氧/厌氧途径分解污染物，如酵母菌对活性黑5的降解率达92%。植物修复通过根际降解(rhizodegradation)可去除70%的三氯乙烯。

化学降解：

• 光芬顿反应在pH=3条件下60分钟内降解95%苯酚
• 电化学氧化使用硼掺杂金刚石电极对活性黑染料的去除率达98%
• 等离子体技术通过活性物种生成可降解90%阿特拉津农药

物理吸附：LDCMs通过π-π相互作用、静电吸引和孔隙填充等机制吸附污染物。木质素基碳气凝胶(LECA-750)对亚甲基蓝的吸附容量达3442 mg/g。

典型应用案例

• 染料去除：水热木质素纳米颗粒(HLNPs)在UV照射6小时后实现98%亚甲基蓝光降解
• 药物降解：木质素-TiO₂复合材料在太阳光下有效分解双氯芬酸和布洛芬
• 重金属吸附：N/S共掺杂多孔碳(NS-HPLC-K)对Pb(II)和Cd(II)的去除率分别达96%和92%

挑战与展望

当前面临合成规模化(如KOH活化碳收率低)、污染物选择性差等挑战。未来发展方向包括：

1. 开发多功能LDCMs，通过金属掺杂或异质结构建提升性能
2. 将LDCMs与膜过滤等系统集成形成混合处理工艺
3. 政策驱动下推动工业废水处理应用，欧盟绿色协议已将其纳入循环经济战略

研究表明，LDCMs在实现联合国可持续发展目标(SDGs)中"清洁饮水和卫生设施"方面具有重要应用价值，其环境友好特性和可再生属性为绿色化学修复提供了新范式。