《Results in Engineering》：Biochar-Based Adsorption of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Contaminated Soils: Advances, Mechanisms, and Bibliometric Analysis
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多环芳烃（PAHs）是一类持久性有机污染物，因其毒性、致突变性和抗降解性，对环境和健康构成重大风险。人们对土壤受PAHs污染的担忧日益加剧，尤其是在受石化事故、工业操作和化石燃料燃烧影响的地区。利用生物炭（biochar）进行吸附已成为去除污染土壤中PAHs最
多环芳烃（PAHs）是一类持久性有机污染物，因其毒性、致突变性和抗降解性，对环境和健康构成重大风险。人们对土壤受PAHs污染的担忧日益加剧，尤其是在受石化事故、工业操作和化石燃料燃烧影响的地区。利用生物炭（biochar）进行吸附已成为去除污染土壤中PAHs最有前景、最经济且环境友好的修复技术之一。本综述全面分析了生物炭作为PAHs吸附剂的研究进展，重点关注其理化性质、生产方法和吸附机制。研究考察了关键因素对PAHs吸附效率的影响，包括生物炭的比表面积（surface area）、官能团（functional groups）、热解温度（pyrolysis temperatures）以及环境因素。为提高吸附效率，本文亦强调了生物炭改性技术的最新进展，如表面官能化（functionalisation）和复合材料的制备。该综述还审视了生物炭的现场应用，将其与其他吸附剂进行了对比，并指出了长期稳定性、大规模部署和监管方面存在的问题。通过解决当前的知识差距和未来的研究方向，本研究旨在为开发更优的基于生物炭的PAHs污染土壤修复策略提供支持。研究人员进行了一项文献计量学分析（bibliometric analysis），以评估利用生物炭吸附污染土壤中PAHs的研究趋势。结果揭示了该领域研究数量有限，凸显了进一步研究和创新的必要性。
本文对生物炭（biochar）作为吸附剂修复多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）污染土壤的研究进行了深入分析。引言部分指出，PAHs污染土壤已成为主要的环境问题，因其持久性和广泛存在于陆地生态系统中。PAHs主要由化石燃料不完全燃烧、生物质燃烧以及工业过程（如废物焚烧和石化加工）产生。由于PAHs的疏水性和高分子稳定性，它们倾向于在土壤中积累，对生态系统和人类健康构成长期风险。传统的PAHs污染土壤修复方法（如化学氧化和生物修复）通常存在效率、成本和二次污染方面的局限性。相比之下，基于吸附的修复方法因其快速、低二次污染和高效率而备受关注。生物炭作为一种通过热解生物质制得的富碳材料，因其多孔结构、大比表面积和丰富的官能团，能增强PAHs的吸附，已成为一种有前景的替代吸附剂。生物炭的使用还有助于利用林业和农业废弃物，促进循环经济。然而，其效能因原料类型、热解条件和环境因素而异，且长期稳定性研究不足。此外，不完全热解可能导致生物炭自身产生和保留PAHs，因此优化热解条件至关重要。本综述旨在通过定量比较、与传统吸附剂的对比以及文献计量学分析，总结现有研究并提出未来方向，以推动该领域知识进步和可持续环境管理技术的发展。
2. 文献计量学分析部分详细介绍了研究方法与趋势。数据收集与方法部分指出，文献计量学分析通过对已发表文献的系统评估来识别研究趋势、关键贡献者和知识差距。本研究从Scopus数据库收集了关于生物炭吸附PAHs的文献，并使用Biblioshiny和VOSviewer等软件工具进行作者分布、关键词共现分析和趋势可视化。研究筛选遵循PRISMA标准，最终纳入589篇文档进行分析。出版趋势与研究增长显示，近年来关于生物炭吸附PAHs的论文数量显著增加，反映出对可持续土壤修复策略兴趣的增长。早期研究主要关注生物炭的基本性质及其对污染物的吸附潜力，而近期研究则聚焦于机制研究、改性方法和现场应用。关键词共现与研究主题分析揭示了该领域的主导主题，如木炭、吸附、化学、动力学和水污染物。湖南大学、南开大学等是产出高影响力论文的主要研究机构。文献计量分析识别出的研究差距与未来方向包括，长期现场应用、生物炭在复杂土壤基质中的稳定性以及大规模部署的监管考量等方面存在关键缺口。未来研究应关注生物炭表征的标准化方法、真实案例研究以及生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）。合作需要在学者、企业和立法者之间加强，以将实验室成果转化为可行的修复方法。
3. 多环芳烃（PAHs）在土壤中的来源与环境归宿部分阐述了其来源、迁移转化和修复挑战。PAHs既有自然来源（如森林火灾、火山喷发），也有人为来源（工业过程、化石燃料燃烧、城市径流），后者是主要贡献者。PAHs进入土壤后，其环境归宿取决于吸附、挥发、微生物降解和淋溶等多种迁移转化机制。吸附是PAHs滞留的关键，受疏水性相互作用和π-π堆积影响。低分子量PAHs（2–3环）更易挥发，而高分子量PAHs（4–6环）则更易吸附在土壤颗粒上。微生物降解是重要的自然衰减过程，细菌和真菌通过特定的酶促反应途径分解PAHs。PAHs在土壤中修复面临的主要挑战包括其低生物可利用性、疏水性和抗性。高分子量PAHs因结构复杂而尤其难以降解。这些挑战促使研究者寻求更有效、经济和可持续的处理方案，如生物炭吸附，以提高PAHs的生物可利用性并减少二次环境影响。
4. 生物炭的合成与表征部分介绍了其制备工艺与性质表征。生物炭通过热解（pyrolysis）过程在低氧或无氧条件下合成，原料、热解温度、加热速率和停留时间显著影响其理化性质。低温热解（300–500°C）产生的生物炭通常含有更多挥发性物质和含氧官能团；而高温热解（>700°C）则产生碳化程度更高、疏水性更强、比表面积和微孔更发达的生物炭，有利于吸附PAHs。使用多种分析技术对生物炭进行表征至关重要，包括扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、比表面积分析（Brunauer-Emmett-Teller, BET）、傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）、X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）和热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）等，这些技术用于评估其表面形貌、孔隙率、官能团、矿物组成和热稳定性。近期研究引入了新的合成与表征技术，如与金属氧化物共热解、水热碳化以及使用绿色化学试剂进行活化，能显著提升其性能。磁性功能化和杂原子掺杂（如引入N、S或P）等新型技术也被证明能提高吸附效率并简化回收过程。
5. 生物炭作为PAHs吸附剂部分详细讨论了其性质、生产方法与吸附效能。生物炭因其独特的组成、结构和表面性质，在吸附PAHs方面表现出高效性。其通常包含矿物、碳化有机物和残留挥发性物质，具有高度多孔的基质（包含微孔、中孔和大孔），提供了巨大的吸附表面积。表面拥有羟基（-OH）、羧基（-COOH）和芳香π电子系统等多种官能团，可增强与疏水性有机污染物如PAHs的相互作用。生物炭的生产方法，特别是热解条件、原料类型和活化技术，显著影响其对PAHs的吸附性能。例如，酸碱改性可通过促进π–π/ n–π电子供体-受体相互作用、氢键和疏水相互作用来增强吸附。表面化学和官能团在PAHs吸附中起主导作用，涉及氢键、偶极相互作用和静电作用。通过氧化、胺化或金属浸渍等表面改性，可以引入更多官能团，改变生物炭的表面电荷或增加极性位点，从而提升其吸附能力。
6. 多环芳烃（PAHs）在生物炭上的吸附机制部分阐明了物理化学过程。主要机制包括π-π堆积和疏水相互作用：由于生物炭和PAHs都具有共轭π电子系统，π-π堆积作用发生在生物炭表面的类石墨结构与PAHs的芳香环之间，产生强吸附亲和力。疏水相互作用则驱动非极性的PAHs分子向生物炭的非极性、富碳表面分配。孔隙填充和表面吸附也是关键物理过程：生物炭的层次化孔隙结构（微孔、中孔、大孔）允许PAHs分子通过尺寸排阻效应扩散进入并被物理限制其中；表面缺陷和边缘位点也能提供额外的吸附位点。官能团和表面改性的角色不容忽视：表面官能团通过静电、氢键和偶极相互作用影响PAHs吸附；化学改性（如氧化、胺化、金属掺杂）可改变表面电荷或添加官能团，增强吸附能力。环境因素（如温度、pH、土壤组成）显著影响吸附行为：pH改变生物炭表面官能团的质子化状态和表面电荷；温度影响分子扩散速率和相互作用能；土壤有机质和粘土矿物可能竞争吸附位点或提供额外的吸附表面。
7. 影响生物炭吸附PAHs效率的因素部分从多角度进行了分析。生物炭的理化性质是决定性因素：比表面积和孔隙结构直接影响吸附容量；表面官能团影响相互作用类型和强度；高芳香性和低含氧官能团的生物炭对非极性PAHs更有效。PAHs的特性也很关键：其分子量、极性和溶解度影响吸附行为；低分子量PAHs溶解度和移动性更高，更易解吸和淋溶；极性差异导致与生物炭官能团的相互作用不同。土壤条件（如pH、有机质含量、水分、微生物活动）会改变生物炭的表面性质和PAHs的可利用性，从而影响吸附效能。土壤中的其他污染物（如重金属、石油烃）可能与PAHs竞争生物炭上的吸附位点，或通过改变生物炭表面化学性质而产生干扰。
8. 生物炭改性用于增强PAHs吸附的新进展部分介绍了前沿技术。表面官能化与活化技术包括引入胺基（-NH?）、羧基（-COOH）或羟基（-OH）等官能团以增强极性，以及通过高温热解进行物理活化以增大比表面积和优化孔径分布。复合生物炭材料的开发是一个重要方向，例如将生物炭与纳米颗粒（如氧化铁、氧化锌、碳基材料）复合，利用生物炭的多孔结构和纳米颗粒的高反应性产生协同效应，显著提升吸附性能。多污染物去除方法也受到关注，旨在设计能同时吸附PAHs、重金属和其他有机污染物的多功能生物炭，例如通过功能化同时靶向PAHs和重金属，或结合金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）等先进材料。不同的改性策略（如物理/化学活化、金属/金属氧化物负载、磁性改性、复合材料制备）在提升吸附容量、速率和选择性方面各有特点，但通常伴随着成本增加和工艺复杂化。
9. 生物炭与其他吸附剂去除PAHs的比较部分评估了不同材料的优劣。与活性炭、粘土矿物和沸石的比较显示：活性炭因其巨大的比表面积和发达的微孔结构而吸附效率最高，但生产成本高且能耗大；粘土矿物（如高岭石、蒙脱石）成本低廉、阳离子交换容量高，但因疏水相互作用较弱，去除效率通常低于生物炭；沸石具有可调孔隙和离子交换能力，但生产加工成本较高。生物炭在成本效益、环境可持续性和吸附效率之间提供了良好平衡，其性质可通过热解和后处理改性进行调控。成本效益与可持续性考虑指出，生物炭原料可再生（利用废弃物）、生产成本相对较低，且具有碳封存潜力，因此是一种可持续的吸附剂；而活性炭成本高昂，粘土矿物和沸石虽廉价但存在开采和加工的环境影响。生物炭在PAHs吸附中的再生与可重复使用性是长期应用的关键：可通过热脱附、溶剂萃取或生物处理进行再生，但再生效率受吸附质性质和改性程度影响；与一次性应用或有限重复使用相比，其低成本和环境优势更具吸引力。
10. 实际应用与现场研究部分对比了实验室与现场效果，并分析了案例与长期稳定性。生物炭在实验室规模研究中表现出高去除效率，但现场应用面临复杂土壤性质（如水分、微生物活性、有机质含量）和环境波动（温度、季节变化、竞争污染物）的挑战，这些因素可能影响其长期效能。案例研究表明，生物炭在城市和工业污染场地的PAHs修复中应用有效，其效能受原料、热解条件和场地特异性的影响。生物炭在土壤中的潜在危害与长期稳定性至关重要：尽管生物炭通常稳定，但环境条件（降雨、温度、pH）可能导致其化学性质或物理结构随时间变化，从而影响吸附容量；改性生物炭可能释放残留的酸、碱或微量金属；老化可能释放之前吸附的PAHs；细小颗粒迁移也可能改变土壤性质。因此，需要长期的现场监测和评估。
11. 局限性与未来研究方向部分指出了当前挑战和前景。当前研究仍存在对基础机制（如特定官能团与不同PAHs相互作用、复杂作用力交织）认识不足、长期现场应用数据缺乏、大规模生产与应用的成本与监管障碍，以及潜在二次污染风险等问题。未来研究应聚焦于：深入探究吸附机制的微观细节；开展长期现场研究以评估稳定性和生态影响；开发更经济、可持续的生物炭生产工艺；研究新型改性技术（如磁性、复合材料）以提升性能；探索生物炭在多污染物协同去除中的应用；加强跨学科合作与政策制定，以促进生物炭技术的规模化应用与商业化。
12. 结论部分总结了全文核心观点。综上所述，生物炭因其高比表面积、多孔结构和可调控的表面化学，已成为修复PAHs污染土壤的一种有前景的材料。主要的吸附机制（孔隙填充、π-π堆积、疏水相互作用）使其能有效吸收和固定PAHs。生物炭改性技术（表面官能化、活化、复合材料）的发展提升了其吸附容量和选择性。然而，将实验室成果应用于大规模实践仍面临诸多挑战，包括生物炭性能因环境条件而异、长期稳定性不明、生产成本与规模化可行性、以及相关法规框架有待完善。文献计量学分析显示该领域研究仍有限，需要更多创新。未来的研究方向应致力于开发新型改性方法、深入理解生物炭对微生物群落和土壤健康的影响、并建立促进其广泛使用的政策法规。最终，生物炭为去除污染土壤中的PAHs提供了一种可行、适应性强且经济的解决方案，在提升土壤质量和降低PAHs污染风险方面具有巨大潜力。
