综述：生物炭吸附剂在废水处理中用于去除新兴污染物的应用与开发：关键合成方法及科学计量学视角

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Application and development of biochar adsorbents for emerging contaminants removal from wastewater: Critical synthesis and scientometric perspective

新兴污染物生物炭吸附研究综述：系统分析生物炭原料筛选、热解参数调控、表面改性策略及吸附机制，揭示全球研究热点、合作网络与发展趋势，提出机器学习辅助优化和多功能材料设计的前沿方向。

　　

李贤宏|李忠红

中国杭州极弱磁场国家科学技术基础设施研究院，杭州310028

摘要

新兴污染物（ECs）在废水中的普遍存在对水安全和生态完整性构成了严重威胁。生物炭是一种由生物质热解得到的碳基材料，由于其独特的层次孔结构和丰富的表面功能，已成为一种极具前景的可持续吸附剂。然而，原始生物炭的吸附性能受到固有局限性的制约，如比表面积低、选择性差以及分离和回收困难，这迫切需要先进的改性策略。本综述对生物炭吸附ECs的性能进行了批判性评估，结合系统性的科学计量分析，清晰地勾勒出了当前的研究热点、发展轨迹和国际合作网络。文章深入探讨了来自不同原料的生物炭生产过程，分析了热解参数如何精确调节材料的结构特性和化学性质，从而决定其吸附效果。随后，概述了关键的改性策略，包括物理活化法和金属/氧化物负载等方法。在此基础上，系统阐明了ECs吸附的多方面机制，涵盖了孔隙填充、疏水效应、π–π堆积、氢键作用、静电相互作用和表面络合等途径。此外，还重点介绍了工程化生物炭在高效去除多种ECs类物质（包括药品和个人护理产品（PPCPs）、内分泌干扰化学物质（EDCs）、全氟和多氟烷基物质（PFASs）、农药、除草剂、合成染料和微塑料（MPs）方面的最新进展。最后，综述对下一代生物炭吸附剂的合理设计提出了前瞻性观点，强调了利用机器学习辅助优化和多功能材料开发等前沿方法的重要性。

引言

工业、医疗保健和消费产品的快速发展导致新兴污染物（ECs）的检测频率显著增加，这些污染物包括药品和个人护理产品（PPCPs）、内分泌干扰化学物质（EDCs）、全氟和多氟烷基物质（PFASs）、抗生素抗性基因（ARGs）、农药、除草剂、合成染料和消毒副产物（DBPs），它们在自然水体和城市水域中普遍存在。与传统污染物（如营养物质或重金属HMs）不同，ECs的特点是低剂量效应、持续的环境输入、分散的时空分布以及多样的结构和极性特征。这些污染物经常在各种水环境中被检测到，包括污水处理厂进水和出水[128]、城市合流制污水溢流[52]、医院和制药废水[111]、雨水径流[17]，以及至关重要的再生水和饮用水系统[76][83]。由于ECs难以生物降解、具有内分泌干扰潜力、促进药物抗性选择压力以及普遍的生态毒性和人类健康风险，它们带来了重大挑战。此外，在环境传输和归趋过程中，ECs可能产生代谢物和转化产物，其毒性和持久性可能与母体化合物相当甚至超过母体化合物，从而加剧了对生态和人类健康的威胁[108]。因此，开发高效、可持续且成本效益高的ECs去除策略是环境科学和工程研究中的关键前沿。

虽然传统的废水处理技术（如生物处理、化学氧化和膜分离）对常规污染物有效，但它们往往无法有效去除ECs。这些方法存在局限性，包括去除效率低、能耗高以及在处理结构复杂、浓度低和稳定性高的化合物时操作不稳定[57]。例如，活性污泥等生物过程常常导致降解不完全和顽固转化产物的形成。同样，高级氧化过程（AOPs）受到能耗高、运行成本高以及可能产生有毒副产物的限制，而膜过滤则受到持续污染和高生命周期成本的阻碍。在这种情况下，吸附作为一种有前景的替代方法脱颖而出，其优点在于操作简单、适用于多种微量污染物，并且易于集成到吸附-催化或吸附-膜混合系统等协同系统中[106]。这种方法的整体效果和经济可行性本质上取决于所使用特定吸附剂的性能。目前使用的材料包括活性炭、沸石、粘土、金属氧化物、树脂和新兴的金属有机框架（MOFs）。然而，现有吸附剂的广泛应用受到诸多缺点的限制。例如，活性炭制造成本高且再生过程耗能大，而天然材料如粘土和沸石的选择性往往较差。即使像MOFs这样的先进材料，尽管表现出优异的性能，也受到复杂合成路线和操作稳定性有限的制约。因此，开发低成本、可持续来源、环境友好且具有高度可调性能的新吸附剂成为一项关键的研究任务。

生物炭是一种富含碳的多孔材料，通过限制氧气的热解过程从多种有机生物质原料（如农业废弃物、市政污泥）中制备而成，具有发达的孔结构、高比表面积和丰富的表面官能团。这些特性，加上高度可调的物理化学性质和强大的吸附能力，使生物炭成为水环境中去除ECs的有希望的吸附剂[91]。与传统活性炭相比，生物炭在可持续原料来源、较低的生产能耗、显著的碳封存潜力和整体经济可行性方面具有明显优势。此外，其孔结构、比表面积、表面功能和电学性质可以通过热解温度、加热速率、气氛和停留时间等工艺参数以及化学/物理活化、杂原子掺杂、表面功能化、金属/氧化物负载和磁组装等改性方法进行精确调控。这种高度的可调性使得生物炭能够根据特定ECs的结构特性和吸附机制要求进行定制[16]。科学界广泛认可生物炭在废水去除ECs方面的巨大潜力，过去十年相关研究论文的数量呈指数级增长。因此，已发表了大量综述文章（表1），总结了最新进展。然而，当前的综述往往范围有限，通常集中在特定的ECs类别（如抗生素）、特定类型的改性生物炭（如磁性生物炭），或仅提供吸附机制的概括性处理。尽管这些针对性方法有其价值，但它们往往无法全面揭示这一广泛研究领域的宏观架构、内在联系和动态演变。为了实现深刻的理解，需要从宏观角度定量描绘知识图谱并识别新兴前沿。文献计量学采用数学和统计方法分析文献数据，创建可视化的共现网络，为推进研究提供了坚实的基础[146]。一些研究利用文献计量软件分析了生物炭领域的研究现状。例如，Zama等人回顾了生物炭在修复有机和无机土壤污染物方面的作用[147]；Zhang等人可视化了土壤碳封存研究的趋势[154]；Jiang等人分析了生物炭在电化学高级氧化过程（EAOPs）中的应用[45]；Liu等人对有关生物炭和砷污染的文献进行了科学计量分析[67]。虽然这些贡献提供了生物炭研究的特定方面的有价值可视化分析，但它们未能提供涵盖历史演变、当前现状、关键研究前沿和生物炭在ECs吸附应用方面的未来方向的系统综合性综述。为解决这一关键缺陷，需要对这一专业领域的学术文献进行严格的科学计量分析。

本综述利用Web of Science Core Collection（WoSCC）数据库的数据，对生物炭在废水吸附ECs方面的研究现状和发展趋势进行了全面分析，采用了系统的文献计量方法。通过结合基础机制和实际应用案例，评估了生物炭的修复潜力，阐明了现有局限性，并提出了未来的研究方向。具体而言，本综述的目标是：

(1) 进行严格的文献计量分析，描绘全球生物炭在ECs吸附应用方面的研究现状，突出出版趋势、合作模式、研究热点和发展前沿。

(2) 批判性地评估原料选择和热解参数如何影响生物炭的物理化学性质，并评估旨在增强其吸附能力的多种改性策略。

(3) 阐明控制生物炭-ECs相互作用的吸附机制，并探讨环境因素在调节吸附过程中的关键作用。

数据库和文献收集

2025年8月18日使用WoSCC数据库进行了文献搜索，时间范围限定在2012年至2025年的出版物。选择这一时间范围是为了捕捉生物炭吸附研究的快速扩展和水处理应用方面的最新进展。所使用的确切搜索查询为：TS = (biochar) AND (“emerging pollutant*” OR “emerging contaminant*” OR “contaminant* of emerging concern*” OR drug* OR “persistent organic pollutant*” OR nanomaterial*

全球研究趋势和出版物增长

出版物数量是评估研究领域发展轨迹的主要指标[28]。对WoSCC数据库的文献计量分析显示，2012年至2025年间，关于生物炭吸附去除废水中的ECs的研究呈现显著增长趋势。如图1和图2所示，年度出版物数量和每篇文章的平均引用次数都显示出明显的增长趋势。

生物炭生产的原料

生物炭的物理化学性质主要受其原料组成和热解条件的控制。这些因素共同决定了其孔结构、比表面积、表面化学性质、灰分含量甚至电导率，从而控制了其对ECs的吸附机制（表3）。富含木质纤维素的前体材料，如木材和农作物秸秆，通常会产生高碳、高芳香性的生物炭，这些生物炭具有较大的表面积。

PPCPs

PPCPs是一类在医疗保健和日常生活中广泛使用的生物活性化学物质，可能通过废水排放进入环境。这些物质包括处方药和非处方药（如抗生素、止痛药、退烧药、抗抑郁药和抗癫痫药）、个人护理产品和消毒剂（如防晒霜、香料、三氯生）、兴奋剂和咖啡因。大多数PPCPs具有可解离的官能团（如羧基、胺基、酚基）。

靶向生物炭吸附和深入的机制洞察

尽管生物炭的应用可行性已经得到证实，并且已经确定了诸如孔隙填充、疏水相互作用、静电吸引和π-π相互作用等机制，但对这些过程的更深入和广泛的理解仍然至关重要。一个主要挑战是从通用吸附发展到高度选择性的靶向修复。这特别涉及针对特定ECs的精确设计和功能化。一个主要限制在于...

结论与展望

本综述系统地绘制了生物炭吸附废水中的ECs的研究现状、核心挑战和未来方向，结合了科学计量分析和全面的批判性综述。科学计量分析显示，该领域在过去十年经历了指数级增长。中国是发表论文最多的国家，占总量的33.89%。

未引用的参考文献

Das等人，[20]，[25]

CRediT作者贡献声明

李忠红：撰写——综述与编辑、软件、方法论、概念化。李贤宏：撰写——原始草稿、可视化、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国博士后科学基金（2025M781161）的支持。