热解温度对开心果壳生物炭的影响及其在废水处理中增强去除全氟和多氟烷基物质（PFOA）的效果：一种可持续的PFAS修复方法

《Journal of Water Process Engineering》：Influence of pyrolysis temperature on pistachio shell biochar for enhanced PFOA removal from wastewater: A sustainable approach to PFAS remediation

本研究利用开心果壳热解制备生物炭（PS-BC），优化热解温度至900°C，获得高比表面积（687.87 m2/g）和优异的PFOA吸附性能（去除率>99%，吸附容量41.07 mg/g），动力学符合伪一级模型，热力学显示吸附自发且吸热，再生性能稳定，并在复杂废水中有效，为可持续PFAS治理提供新方法。

　　在水处理领域，持久性有机污染物（Persistent Organic Pollutants, POPs）因其难以降解、易生物累积以及对生态环境和人类健康造成潜在威胁而备受关注。其中，全氟辛烷磺酸（Perfluorooctanoic acid, PFOA）作为一种典型的长链全氟化合物（Per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS），因其广泛存在于地表水、地下水和废水中，被列为《斯德哥尔摩公约》下的POPs之一。PFOA的毒性和持久性使其成为全球水污染治理中的一个重大挑战，尤其是在饮用水和工业废水处理中。由于其在环境中难以被自然降解，长期积累可能对生态系统和人体健康造成严重危害。此外，PFOA的检测浓度常常超出现行的监管标准，如美国环境保护署（U.S. EPA）建议的饮用水中PFOA最大污染物浓度（Maximum Contaminant Levels, MCLs）为4纳克/升，而实际检测中PFOA的浓度往往更高。因此，开发高效、经济、可持续的PFOA去除方法成为当前研究的重点。

在众多去除技术中，吸附法因其操作简便、成本低廉、去除效率高以及副产物较少而受到青睐。然而，传统的吸附材料如活性炭（Activated Carbon, AC）虽然在许多方面表现良好，但在面对PFAS这类具有高度稳定性和持久性的污染物时，其去除效果有限。近年来，生物炭（Biochar, BC）作为一种新型吸附材料被广泛研究，因其来源于可再生资源、具有较大的比表面积、丰富的孔隙结构以及多样的表面化学性质，能够有效吸附多种有机污染物。特别是，生物炭在处理复杂废水时展现出良好的适用性，能够适应不同污染物浓度和水体条件，成为一种有前景的吸附材料。

本研究聚焦于一种来源于农业废弃物的生物炭——开心果壳衍生生物炭（Pistachio Shell-Derived Biochar, PS-BC），探讨其在不同热解温度下的性能变化，并评估其在PFOA去除中的有效性。开心果壳作为一种丰富的农业副产品，其结构紧密、固定碳含量高，为制备具有高比表面积和良好吸附性能的生物炭提供了理想的原料。全球开心果壳的产量约为747,000吨，其中大部分被丢弃、焚烧或用于低附加值的应用，如覆盖物或动物垫料，这表明其具有较大的资源潜力。将开心果壳转化为生物炭不仅能够有效利用废弃物，还能为水污染治理提供新的解决方案。

在本研究中，通过对热解温度（700°C至1000°C）的系统研究，发现不同热解温度对生物炭的物理化学性质产生了显著影响。其中，热解温度为900°C的生物炭（BC-900°C）表现出最佳的吸附性能，其比表面积达到687.87平方米/克，显示出丰富的孔隙结构和良好的吸附能力。在实验条件下，当初始PFOA浓度为4毫克/升、pH为5时，BC-900°C在1克/升的吸附剂用量下，仅需2小时即可实现超过99%的去除效率。这一结果表明，BC-900°C在去除PFOA方面具有显著优势。进一步的吸附等温线分析显示，该材料的吸附行为最符合Liu模型，其相关系数达到0.9398，说明其吸附表面具有异质性，存在不同亲和力的吸附位点，并且吸附容量有限。这些特性表明，BC-900°C在实际应用中能够适应不同的吸附需求。

从动力学研究来看，吸附过程符合伪一级动力学模型，其相关系数为0.9825，表明吸附主要通过物理吸附机制进行。这一结果与BC-900°C的高比表面积和丰富的孔隙结构相吻合，因为物理吸附通常依赖于吸附剂表面的物理特性，如孔隙大小、表面能和表面官能团。此外，热力学分析表明，PFOA的吸附过程是自发的且吸热的，这意味着随着温度的升高，吸附能力可能增强。这一特性为BC-900°C在高温条件下的应用提供了理论支持。

在实际应用中，BC-900°C展现出良好的再生能力，其在五次吸附-解吸循环后仍能保持约94%的去除效率。这表明，该材料不仅能够高效吸附PFOA，还具备重复使用的潜力，为水处理系统提供了可持续的解决方案。此外，BC-900°C在不同离子强度的水体中表现出稳定的去除性能，其在0.001至0.1摩尔/升的NaCl浓度下，去除效率从94.3%到92.9%不等，说明其在不同盐度条件下依然具有较强的吸附能力。这种稳定性对于实际水处理应用尤为重要，因为实际水体往往含有复杂的离子成分，而吸附材料需要在多种条件下保持良好的性能。

在共存离子的影响方面，实验结果显示，BC-900°C的PFOA去除性能几乎不受其他离子的干扰，这表明其具有良好的选择性。这一特性对于处理复杂废水尤为重要，因为实际水体中往往含有多种污染物，而吸附材料需要能够有效区分目标污染物与其他成分。此外，BC-900°C在实际工业废水中展现出优异的去除效果，其在PFOA浓度为1和10毫克/升的复杂废水样本中，均能实现高效的去除，进一步验证了其在实际应用中的可行性。

综上所述，BC-900°C不仅具有优异的吸附性能，还具备良好的再生能力和稳定性，能够在不同盐度和离子强度的水体中保持高效的PFOA去除能力。这些特性使得BC-900°C成为一种可持续、经济且高效的吸附材料，为PFAS污染治理提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨BC-900°C在不同水体条件下的适用性，以及其与其他污染物的交互作用，以优化其在实际水处理系统中的应用。此外，还可以研究BC-900°C在其他PFAS污染物中的去除效果，以拓展其应用范围。通过这些研究，可以为全球范围内的水污染治理提供更加全面和有效的解决方案。