综述：近期生物炭表面功能化技术在去除水溶液中染料方面的研究进展：综述

《Inorganic Chemistry Communications》：Recent advances in biochar surface functionalization for dye removal from aqueous solutions: A review

生物炭因其低成本和高吸附潜力成为染料废水处理的有效材料，但需通过表面改性策略（如酸处理、掺杂、活化、复合等）提升吸附性能。研究显示，掺杂异原子或形成金属/碳复合材料的生物炭比单纯酸处理或表面修饰的效率更高，且阳离子染料去除效果优于阴离子染料。同时，工程化生物炭在去除高浓度染料废水方面仍面临挑战，未来需结合材料设计优化与机理研究突破瓶颈。

　　

Ganesan Sriram|Karmegam Dhanabalan|Tae Hwan Oh

韩国庆尚北道岭南大学化学工程学院，38541

摘要

水系统中的染料对水生生物和人类健康构成严重威胁，同时也会影响农业活动，因此这是一个全球性的问题。为了解决这一难题，水资源研究人员一直在利用吸附过程来减少染料的存在。由于生物炭可以通过热解从生物质或生物废物中廉价且容易地制备，因此被认为是一种有潜力的染料吸附剂。然而，由于其表面积和官能团较少，生物炭的染料吸附能力较弱。因此，人们采用各种策略对生物炭表面进行功能化处理或改性，以提高染料去除效率和吸附能力。本研究将重点介绍利用酸处理、掺杂、活化、表面改性及复合材料等不同方法在生物炭合成和表面工程方面的最新进展，以去除阳离子或阴离子染料。本文对基于生物炭的吸附剂及其相关策略进行了深入讨论，发现经过处理的生物炭比未经处理的生物炭具有更好的性能。在各种策略中，杂原子掺杂生物炭、生物炭基复合材料和活化生物炭在染料去除效果上优于酸处理生物炭、表面改性生物炭和金属掺杂生物炭。此外，新型裸露生物炭在去除阳离子染料方面更为有效，因为它们的表面带有显著的负电荷。此外，本文还回顾了基于生物炭的吸附剂在水处理中的应用挑战与机遇，旨在鼓励更多学术界和工业界人士投身于基于吸附的水处理研究。

引言

经济发展、城市化进程的加快以及众多现代企业的建立导致全球废水排放量激增，对生态系统、自然水道、水生生物和人类健康构成了严重威胁。来自皮革、纺织、涂料、制药、化妆品、造纸、食品等行业的含染料废水由于使用了大量合成染料，对环境造成了严重破坏[1]、[2]。工业排放的主要染料污染物包括刚果红（CR）、罗丹明B（RhB）、结晶紫（CV）、亚甲蓝（MB）、孔雀石绿（MG）、藏红花素O（SO）、甲基橙（MO）、亮绿（BG）、罗丹明6G（Rh6G）、甲基紫（MV）、靛蓝胭脂红（IC）、偶氮黑T（EBT）等[3]、[4]。这些染料虽然有多种用途，但通常具有遗传毒性、致癌性，并对水生生物和人类健康有害，接触眼睛时还会引起呼吸问题、皮肤刺激甚至长期视力损伤[5]、[6]。此外，水中的染料会阻挡阳光，影响光合作用和植物生长。因此，必须在工业废水排放到环境中之前将其中的有害物质去除。

自从发明了电化学方法、高级氧化工艺、好氧和厌氧降解、微生物分解、浊点萃取、混凝絮凝、膜技术、吸附工艺等多种废水处理技术以来，人们一直在努力解决水污染问题[7]、[8]、[9]、[10]。最近的研究评估了这些技术的优缺点[1]、[10]、[11]、[12]。其中，吸附技术因其处理速度快、成本效益高、操作简便、易于再生、效率高、兼容性强以及具有选择性和抗化学干扰潜力而备受关注[13]、[14]、[15]。目前已使用活性氧化铝、活性炭、介孔硅胶、沸石、粘土和碳干凝胶等吸附剂实现了染料的去除。尽管传统吸附材料取得了进展，但仍需寻找在染料去除性能和可持续性方面更具优势的替代吸附剂。

生物炭作为一种碳基吸附剂，因其高表面积、多孔结构以及羧基（–COOH）和羟基（–OH）等官能团而成为染料去除的潜在候选材料，是水处理的优秀吸附剂[16]、[17]。生物炭可由植物产品和有机废物制备，其制备过程在经济上较为便宜[18]、[19]。生物炭主要通过热解、气化、水热碳化和热解等热化学过程生产[20]、[21]、[22]、[23]。然而，使用生物炭去除染料存在一些挑战：尽管其处理成本低且环保，但在高浓度染料污染物去除效果上仍不尽如人意。为提高其去除效率，人们开发了多种技术，如通过活化剂增加比表面积或引入与染料反应更活跃的吸附剂。本文综述了生物炭的染料去除性能及其通过各种策略改进的效果及其去除机制，对从事生物炭基吸附剂研究的人员具有参考价值。图1展示了采用不同策略制备的工程化生物炭在染料去除方面的应用示意图。

最近有研究指出，生物炭/金属纳米颗粒复合材料在染料去除方面表现出色，探讨了它们的制备过程、去除机制和再生方法，并通过计算模拟预测了吸附剂的性能[1]。不过，该研究仅关注了金属支撑的生物炭，未涉及研究空白或挑战。Yalasangi等人研究了用于去除罗丹明B的生物炭基吸附剂，详细讨论了生物炭的制备及其通过物理和化学方法进行的表面改性以增加表面积[18]。他们使用FTIR、XRD、SEM和BET等技术分析了生物炭的特性，并通过理论计算研究了吸附机制、等温线和动力学。该研究的局限性在于仅关注了罗丹明B的去除，未涉及其他染料的去除。另有研究探讨了纳米材料改性的生物炭在去除染料、金属和非金属离子方面的应用[24]。该报告采用了多种表征方法评估了改性生物炭的效果，并强调了其在改善土壤和空气质量以及吸附过程中的重要性及未来发展方向。然而，该研究未发现明显的研究问题或挑战，也未涵盖用于环境修复的纳米材料改性生物炭类型。Varkolu等人全面研究了生物炭的制备过程，分析了其多种应用，包括土壤修复、废水处理、能量储存、二氧化碳捕获和生物柴油生产[25]。该报告内容较为全面，涵盖了生物炭的多种应用。还有研究关注了污泥衍生生物炭在吸附去除不同污染物方面的应用，并提出了改进的氧化技术及未来发展方向[26]。尽管这些研究取得了一定进展，但它们仍然不够全面，未涉及基于策略的生物炭去除方法，也未对染料去除机制进行深入分析。因此，本文的独特之处在于详细讨论了基于酸处理、活化、杂原子掺杂和金属掺杂、表面改性及复合材料等策略的最新进展，以及它们的合成方法、吸附性能和去除机制，对从事生物炭基吸附剂研究的学者具有参考价值。

节选内容

未经处理的生物炭

生物炭凭借其较大的表面积、丰富的孔隙结构和羧基（–COOH）、羟基（–OH）等官能团，在水净化领域受到了广泛关注[42]。与活性炭相比，生物炭可能是一种更有效的吸附剂。表1概述了新型生物炭的特点

挑战与未来展望

本文指出了生物炭制备过程中遇到的挑战以及生物炭表面改性的各种技术。从茂密森林或花园收集大量生物质可能存在风险，尤其是偏远地区和有毒动物叮咬的风险。市场或餐厅收集的生物废物可能不卫生，存在健康隐患。潮湿或寒冷的季节也会增加原料采集的难度

结论

本文讨论了通过热解或碳化制备生物炭的最新趋势，以及通过酸处理、活化、掺杂、改性及复合材料成型等策略对其表面的改进，以提高其去除染料的能力和最大吸附容量。水热法、溶热法、化学沉淀法、简单化学反应和超声处理等技术被广泛应用于工程化生物炭的制备

CRediT作者贡献声明

Ganesan Sriram：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验设计、概念构建。Karmegam Dhanabalan：数据验证、数据分析。Tae Hwan Oh：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了庆尚北道区域创新系统与教育项目（RISE，项目编号000单位）、韩国政府资助的韩国国家研究基金会（NRF，项目编号RS-2025-22342968）以及韩国教育部资助的韩国基础科学研究所（国家研究设施与设备中心，项目编号RS-2025-02317758）的支持。

Ganesan Sriram于2021年在印度JAIN大学获得纳米技术博士学位，随后于2022年1月至7月在韩国全南大学担任博士后研究员，从事水电解用阴离子交换膜的研发工作。2022年8月，他转到岭南大学化学工程学院继续从事博士后研究