从吸附到催化降解：多功能生物炭用于水净化

《Journal of Water Process Engineering》：Multifunctional biochar for water decontamination from adsorption to catalytic degradation

　　

•建立了一个集成的"性质–污染物–机理–应用"框架。•生物炭的性质和污染物的特性共同决定界面去除机理。•吸附和催化过程构成了多种基于生物炭的水处理策略的核心基础。•功能化修饰可定制表面性质并实现对特定污染物的去除性能调控。•实际应用需要在去除效率、再生能力、稳定性与可扩展性之间取得平衡。

引言

水是生命的根本来源，是维持生态系统稳定性和支撑人类社会发展的基本自然资源。人口的快速增长、工业活动的加剧以及人类消费模式的变化，导致水体和土壤环境中污染物持续累积。水污染已成为影响各种环境基质乃至人类社会自身的关键环境挑战[1]。

目前，水污染物的特点是组成复杂、来源多样，主要包括四大类：重金属离子、有机污染物、营养元素和致病微生物[2]、[3]、[4]、[5]。重金属（如铅、镉、铬、汞、砷）主要来源于采矿、冶金、电镀和化工制造过程。这些污染物具有不可生物降解、生物富集潜力高和持久毒性等特点。一旦通过食物链进入人体，即可损害神经系统、消化系统和造血系统，从而引发多种疾病。

有机污染物包括染料、抗生素、农药、酚类化合物、多环芳烃（PAHs）、药物和个人护理产品。其中许多化合物具有致癌、致畸和致突变效应，且难以通过常规生物处理工艺降解。其在水体环境中的长期残留可严重破坏水生生态系统的稳定性。营养元素，尤其是氮和磷，主要来源于农业非点源污染、市政污水和工业废水排放。这些营养元素是水体富营养化的主要驱动因素，可引发有害藻华、赤潮和缺氧状况，最终导致水生生物大量死亡。致病微生物包括细菌、病毒和寄生虫，可通过饮用水和直接接触受污染水体传播疾病，对公众健康构成重大威胁。

传统处理技术对新兴污染物通常表现出有限的去除效率，尤其对于低浓度和复杂混合污染物，难以满足日益严格的水质排放标准。因此，开发具有高效性、经济性和环境可持续性的新型水处理技术已成为缓解水污染的迫切需求。制备能够高效去除或固定各种水溶性及难降解污染物的合适功能材料，是应对这些环境挑战的可行策略。

生物炭及其基复合材料作为环保且易得性的生物质材料，已被广泛应用于各种污染物的去除[6]。生物炭基材料的主要优势包括其高度多孔结构、大的比表面积、增强的离子交换容量和丰富的表面官能团[7]。Huang等人[8]全面综述了生物炭及生物炭基复合材料的合成策略及其在有机污染物去除方面的应用。这些复合材料通过物理吸附、π–π相互作用、静电吸引、类Fenton反应和光催化降解等机理，对有机污染物表现出显著的吸附和光催化降解能力，在能源、环境修复和农业等多学科领域展现了广阔的应用潜力。

生物炭是一种由生物质原料在限氧、缺氧或无氧的热化学条件下（如热解和水热碳化），在低温（200–700°C）或中高温（700–1000°C）下产生的高芳香性、富含碳元素的多孔固体材料[9]。其理化性质与原料类型和制备工艺密切相关。在热解或水热碳化过程中，不同的生物质原料经历一系列热化学反应，包括脱水、脱羧和芳构化，从而形成具有不同孔隙结构、表面官能团和碳骨架特性的生物炭材料。因此，原料来源和制备方法是影响生物炭性质和性能的关键决定因素。主要生物质来源和代表性制备途径如图1所示。

生物炭的原料来源非常多样，几乎所有农林废弃物、城市有机固体废弃物、工业生物质残渣和污泥都可以用于生产生物炭。按原料类型划分，生物炭前体一般可分为四类。第一类为农业废弃物，包括作物秸秆、稻壳、玉米芯、花生壳、棉籽壳和畜禽粪便。由于其来源广泛且成本低廉，这些材料是生物炭生产中最常用的原料。第二类为林业残留物，如锯末、树皮、树枝、竹屑和果壳等，通常碳含量较高，可制备出孔隙结构发达的生物炭。第三类为城市有机废弃物，包括厨余垃圾、园林废弃物和市政污泥。将这些废弃物用于生物炭生产不仅有助于固废管理，还为水污染治理提供了潜在解决方案。第四类为特种生物质原料，如藻类、水生植物和工业生物质残渣，可选择性地用于制备面向特定水处理应用的生物炭。

如图1所示，生物质来源和热化学转化途径均显著影响所制备生物炭的理化性质。高温热解通常增强芳香性和孔隙发育，而水热碳化则有利于保留含氧官能团。这些结构差异随后决定了生物炭在水处理应用中的吸附和催化性能。生物炭原料的广泛可得性使其成为一种低成本、可持续的环境功能材料，实现了基于"变废为宝"理念的循环经济策略。关于生物炭在水体污染修复中的应用，Fang等人全面综述了生物炭在水修复系统中的大规模和现场应用[10]。Huang等人总结了生物炭基材料在废水有机污染物去除方面的最新进展[11]。Yang等人[12]系统评价和总结了生物炭在废水资源回收中的作用。此外，Bui等人综述了生物炭在生物炭基浮选复合材料（BFCs）中的功能特性，并评估了其在废水处理中的应用效果[4]。

现有综述已涉及基于生物炭的水处理的各个方面；如表1所示，这些综述涵盖了广泛的维度，包括生物炭的制备与改性、污染物去除机理、特定污染物类别和实际应用。然而，大多数综述是围绕该领域的特定维度展开的，而非将这些维度整合为一个连贯的分析框架。因此，本综述的贡献在于并非宣称此前的研究未能全面覆盖基于生物炭的水处理领域，而是系统地将这些维度整合为一个统一的分析链条，将生物炭性质、污染物特性、去除机理与实际应用联系起来。相应地，本综述建立了一个集成的"性质–污染物–机理–应用"框架，为理解生物炭性质与污染物特性如何共同决定去除机理并最终影响应用策略提供了更加系统的依据。因此，本综述旨在实现三个主要目标：（1）分析生物炭在水体环境中的应用形式；（2）系统总结生物炭在受污染水体系中所针对的主要污染物类型；（3）识别现有研究的空白与局限，为未来的研究提供前瞻性方向。

文献片段

文献检索策略

为确保文献筛选过程的全面性、透明性和可重复性，本研究进行了系统的文献检索，以识别有关生物炭在受污染水处理中应用的研究。使用X-MOL文献检索平台进行了结构化的文献检索，以识别与基于生物炭的水处理相关的研究，具体数据如表2所示。检索策略涵盖本综述的主要主题，包括生物炭的制备方法。

生物炭的制备技术路线

生物炭的制备技术路线包括常规和高级/改性辅助工艺，如热解、气化、热解预处理、电改性生物炭制备、微波辅助热解、水热碳化和真空热解。其中，热解被认为是将生物质转化为富含碳元素的能源产品最有效且高效的工艺之一[21]。

常规生物炭制备方法的机理

生物炭在水处理系统中对污染物的去除是多种机理综合作用的结果，其中吸附和催化过程被认为是主要途径。其他机理还包括孔填充、过滤和拦截、离子交换、沉淀和微生物载体效应[48]、[49]、[50]。不同的机理在不同污染物的去除过程中发挥不同的主导作用，且具有不同的机理层级，以及在……的应用中。

生物炭去除不同污染物的应用

基于上述机理，包括吸附、催化、离子交换和过滤/拦截，生物炭能够高效去除多种水体污染物。由于理化性质的差异，各种污染物对生物炭去除机理和材料特性的依赖程度各不相同。总体而言，生物炭已被广泛应用于典型水体污染物的修复，包括重金属离子、有机……

生物炭在水处理中的具体应用形式

凭借其出色的吸附能力、催化活性和界面调控性能，生物炭在水处理中的应用已逐渐从单一材料研究向多种场景下的多元化工程应用演变。根据运行模式和功能角色，生物炭可作为吸附剂、催化材料、过滤介质或复合材料组分应用于各种水处理工艺，从而实现……

结论

本综述系统总结了生物炭在水处理领域的制备方法、改性技术、理化性质及最新应用进展。主要结论如下：

（1）生物炭可由多种原料生产，制备工艺灵活。通过热解、水热碳化以及物理、化学或生物改性方法，不同原料和制备工艺所产……

CRediT作者贡献声明

潘永坤：原稿撰写、可视化呈现、概念构思。朱玉玲：原稿撰写、可视化呈现。杜彪：原稿撰写、验证。杨宇：原稿撰写、可视化呈现。谢扬：原稿撰写、可视化呈现。陈培兴：审稿与编辑、原稿撰写。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在撰写本文过程中，作者使用DeepSeek和ChatGPT对稿件进行了语法润色和图表布局及视觉清晰度的优化增强。使用这些工具后，作者已对内容进行了审核和编辑，并对已发表文章的全部内容负全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文工作成果的已知经济利益或人际关系冲突。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金[12202089]、重庆市教委科学技术研究项目[KJZD-K202601512, KJQN202401503]以及重庆市研究生科研创新项目[CYS260937]的支持。

潘永坤|朱玉玲|杜彪|杨宇|谢扬|陈培兴