《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Recent Advances and Prospects of Iron-based Biochar for Antibiotic Removal: Unveiling the Dual Mechanisms of Adsorption and Degradation
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抗生素在水环境中的广泛存在引发生态问题，Fe@BC复合材料因其高效去除能力成为研究热点。本文系统综述了Fe@BC的制备技术、性能评价、应用现状及污染物去除机制，重点探讨了铁掺杂对生物炭理化性质的影响，包括表面电荷调控、活性位点形成及铁基氧化还原活性物种的作用。研究指出，优化生物质类型、热解温度、铁源配比和反应介质等合成参数，可显著提升吸附和催化降解性能。未来需聚焦合成工艺改进、作用机理阐明及环境治理集成应用。
王俊杰|刘银凡|李雪|赵冉|穆晓全|杨凤霞|郭海欣|丁永珍
中英农业环境污染防治联合研究中心，农业农村部农业环境保护研究所，中国天津市南开区福康路31号，300191
摘要
抗生素在水生环境中的广泛存在引发了严重的生态问题，这归因于其复杂的化学性质和持久性。高级氧化工艺（AOPs）以其强大的效果而闻名，已成为处理含抗生素废水的最佳解决方案。基于铁的生物炭复合材料（Fe@BC）成本低廉，具有优异的表面物理化学性质，在水污染控制方面表现良好。本文讨论了Fe@BC应用领域的最新进展，涵盖了合成技术、性能评估、实际应用和污染物去除策略。Fe@BC复合材料的各种制备方法对其化学和结构特性有显著影响，进而决定了其污染物去除效率。Fe@BC可以通过吸附、氧化和还原等多种方式去除抗生素。这些过程涉及复杂的相互作用，包括氢键作用、π-π电子受体相互作用、静电吸引以及活性氧物种（如硫酸根自由基和羟基自由基）的形成。研究表明，为了提高污染物去除效率，需要优化合成参数，如生物质类型、热解温度、铁前体比例和反应介质。研究强调了理解技术规模化操作机制及解决相关问题的重要性。未来的研究应致力于改进合成方法，明确作用机理，并将Fe@BC整合到环境治理的整体计划中。
引言
无论是微生物自然产生的还是人工合成的抗生素，都因其强大的抑菌和杀菌作用而被广泛应用于人类和兽医医学[1]。然而，随着人口增长以及临床和农业使用的增加，抗生素不断释放到自然环境中。因此，全球水生系统中频繁检测到抗生素，引发了新的污染问题[1][2]。抗生素进入环境的主要途径是通过废弃物，因为70-80%的抗生素以未改变的形式通过尿液和粪便排入污水系统[3]。不幸的是，传统的污水处理厂无法完全去除这些物质。因此，抗生素残留物常常通过处理后的废水进入地表水和地下水，使饮用水源变得不安全[4]。目前已知有超过10,000种抗生素，其中四环素类（TCs）、氟喹诺酮类、β-内酰胺类和头孢菌素类尤其值得关注，因为它们稳定性高且难以降解[5]。它们对人类健康和生态环境构成了重大威胁，因此必须加以去除。
传统的抗生素处理方法如生物处理、吸附和膜过滤效果有限，尤其是对于一些难以去除的抗生素（如TCs）。相比之下，包括光催化、臭氧处理、过硫酸盐激活和芬顿反应在内的高级氧化工艺（AOPs）已成为非常有效的替代方案[6][7]。AOPs具有高抗生素去除效率，这主要归功于它们能够产生高活性的自由基，这些自由基可以快速分解有机污染物，从而实现抗生素的高效降解[8]。
生物炭因其多孔结构、较大的比表面积、丰富的官能团和高反应性而被广泛用于废水处理[8][9][10]。然而，原始生物炭直接使用时存在一些缺点，如吸附能力不足、催化能力有限且难以重复利用[11][12]。为了解决这些问题，人们深入研究了材料改性方案，包括金属掺杂，以提高其性能并便于回收利用。铁是一种理想的掺杂金属，因为它价格便宜、毒性低且效果良好。研究表明，铁掺杂的生物炭相比钴（Co）或镍（Ni）等替代金属处理的生物炭具有更好的吸附和催化性能[13][14][15][16]。通常采用高温热解法制备这些复合材料，该过程使铁纳米颗粒均匀分布在碳基质中，使其更加稳定并防止氧化[17]。由于这些优势，使用Fe@BC去除抗生素已成为热门研究方向，这从文献计量分析中发现的出版物和热点研究数量增加可以看出（图1）。
目前尚缺乏关于Fe@BC如何通过吸附和降解去除抗生素的全面评估。因此，本研究旨在通过全面评估该领域的最新进展来填补这一知识空白。本文的主要目标包括：（1）总结Fe@BC的制备技术及其物理化学性质的主要影响因素；（2）解释这类功能材料的先进表征方法；（3）系统评估Fe@BC在元素吸附和降解中的应用效果，并阐明其抗生素去除机制；（4）分析Fe@BC应用中存在的挑战，并提出未来研究方向。本综述旨在综合考虑上述特点，为高性能Fe@BC催化剂的设计提供合理方案，以促进其在可持续废水处理领域的应用。
部分摘录
基于铁的生物炭的制备
铁的改性通过减少负电荷和增加正电荷位点来改变生物炭的表面电荷特性，从而增强抗生素与表面官能团之间的相互作用。通过改变铁的价态和状态，并选择不同的改性技术，可以消除相关污染物。
Fe@BCs去除抗生素
为了提高Fe@BC复合材料的可行性，阐明其去除机制至关重要。本节评估了Fe@BCs的去除性能和催化效果，并总结了相关机制（表2）。
结论与未来展望
本综述总结了基于铁的生物炭在抗生素去除方面的最新进展，强调了结构工程、表面功能性和氧化还原活性铁物种在增强吸附和催化降解中的作用。Fe–NX配位环境、含氧基团、Fe3O4结构域和缺陷结构共同促进了自由基和非自由基途径，其中以电子转移为主导的机制越来越受到重视。
伦理批准
本文不包含任何作者参与的人类或动物实验研究。
CRediT作者贡献声明
丁永珍：项目监督、资金获取、概念构思。赵冉：概念构思、监督。刘银凡：验证、监督、概念构思。穆晓全：概念构思、监督。李雪：监督、概念构思。郭海欣：撰写——审稿与编辑、概念构思。王俊杰：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件使用、资源管理、方法学设计、数据分析。
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究工作得到了中央公益性科学机构基础研究基金（Y2024QC28）和中国农业科学院科技创新计划的支持。
