综述：生物废弃物衍生活性炭及纳米颗粒负载活性炭的制备及其对水中布洛芬的去除

《Nanoscale Advances》：Synthesis of activated carbons and nanoparticle-loaded activated carbons derived from bio-wastes for the removal of ibuprofen drug from water

　　

布洛芬的广泛使用导致其广泛存在于各类水体中，且残留量呈显著上升趋势，长期暴露会对人体健康产生负面影响，因此开发用于去除水中布洛芬的吸附剂十分必要。本文综述了以生物废弃物为原料合成普通活性炭及磁性活性炭用于布洛芬去除的研究进展。研究表明，以竹纤维和栓皮栎（Quercus variabilis）软木为原料，采用氯化锌（ZnCl?）活化制备的活性炭，其Brunauer-Emmett-Teller比表面积（SBET）最高可达2000 m2 g?1。研究人员还对布洛芬吸附过程的动力学、等温线及热力学模型进行了系统考察，结果显示准二级动力学模型（R2值0.96–0.99）和Langmuir等温线模型（R2值0.978–0.999）拟合效果最佳，布洛芬最大吸附容量（Qmax）可达38–491 mg g?1。此外，文章还阐明了该类吸附剂的再生性能、循环使用性及吸附机理。凭借高SBET和高Qmax的优势，生物废弃物衍生的活性炭及磁性活性炭可作为可循环使用的高效吸附剂，用于水中布洛芬的去除。

1. 1.
   引言
   布洛芬是全球使用最广泛的非甾体抗炎药（NSAIDs），化学名称为(R,S)-2-(4-(2-甲基丙基)苯基)丙酸，分子含手性中心，通常以消旋体形式生产和销售。其pK_a约为4.1至4.5，水溶性呈pH依赖性：酸性条件下溶解度低（25℃时为21 mg L?1），随pH升高溶解度显著增加；辛醇-水分配系数（log P≈3.97）表明其为高亲脂性化合物。布洛芬的大量使用使其通过不当处置和排泄进入水体，在地表水、地下水甚至饮用水源中频繁检出。其在生态系统中的持久性会带来水生生物内分泌干扰、人体长期暴露生物累积等重大风险，凸显了治理药物残留以保护生态和公共健康的必要性。传统废水处理方法包括活性污泥法、生物处理、高级氧化工艺、混凝-絮凝、电化学方法及过滤等，其中吸附法因操作简便、效率较高成为研究热点，而以生物废弃物为原料制备的活性炭及磁性活性炭因成本低、环境友好被视为极具潜力的吸附剂。全球每年产生大量作物、果蔬及林业残余物，若未妥善管理会造成填埋负荷过重和甲烷排放等环境问题，将其转化为吸附剂可实现“以废治废”，契合循环经济理念。2015年至2024年，关于活性炭吸附布洛芬的发表论文从148篇激增至1178篇，截至2025年4月已达565篇，但现有综述多缺乏对吸附机理、热力学、优化及再生性的系统整合，本研究旨在全面梳理该领域进展，为可持续水处理技术提供参考。
2. 2.
   布洛芬污染及影响
   2.1 污染现状
   布洛芬已在全球各类水体中检出，浓度差异显著。河流污染最为突出，哥伦比亚布卡拉曼加的弗rio河和奥罗河浓度最高达3156000 ng L?1，巴西圣弗朗西斯科河达785000 ng L?1，波兰瓦尔塔河2012–2021年间浓度为3500–496000 ng L?1，非洲加纳库马西多条河流浓度达118000 ng L?1，而欧洲塞尔维亚多瑙河、西班牙塔霍河流域浓度较低（31–1800 ng L?1），反映出不同地区废水管理水平、监管力度及人口压力的显著差异。沼泽和湿地作为污染物汇，哥伦比亚加勒比地区马略基沼泽浓度达10000–218000 ng L?1，西班牙阿尔布费拉自然公园湿地为30–1229 ng L?1。海水因稀释能力强浓度最低，西班牙埃布罗三角洲为未检出–24 ng L?1，加拿大北极群岛为130–220 ng L?1。废水系统中，进水因直接承接人类排泄物浓度极高，捷克俄斯特拉发污水处理厂进水为9511–94054 ng L?1，南非林波波省为未检出–114000 ng L?1；出水虽经处理有所下降，但仍存在残留，如南非出水最高达60000 ng L?1，表明现有污水处理工艺对药物去除效率不足。

2.2 生态与健康影响

布洛芬对多物种具有显著生物效应。植物层面，0.25 μg L?1即可诱导大叶藻（Cymodocea nodosa）氧化应激，25 μg L?1会抑制抗氧化酶活性和光合作用；3 ng/g土壤可使生菜种子根伸长减少50%，10000 ng/g土壤会使豇豆（Vigna unguiculata）种子发芽率50%受抑。动物层面，0.8 μg L?1暴露14天使河蚌（Unio tumidus）消化腺凋亡活性上升、代谢失衡；0.1–1.0 μg L?1使胡鲶（Rhamdia quelen）白细胞计数下降29%–98%；100 μg L?1使蚯蚓体重下降30%、茧产量减少40%；1 μg/mL降低阿拉伯棘赤刀鱼（Acanthopagrus arabicus）细胞活力60%并干扰雌激素合成。人类层面，体外暴露使妊娠早期胎儿睾丸生殖母细胞减少22%、卵巢减少49%；成年男性血浆浓度25–100 μg/mL会导致代偿性性腺功能减退，睾酮/黄体生成素比值下降；1000 μM浓度抑制人脐静脉内皮细胞血管生成，25 μg L?1显著抑制骨髓间充质干细胞分泌单核细胞趋化蛋白1、肝细胞生长因子等关键因子，干扰造血和免疫功能。

1. 3.
   吸附剂合成
   3.1 生物废弃物衍生活性炭
   磷酸（H?PO?）活化通过促进纤维素解聚、脱水形成芳香结构及磷酸盐基团扩孔，提升孔隙率和表面酸性，但高温易导致结构坍塌，如杨木（Populus tremula）活性炭比表面积随温度从400℃升至700℃从1381 m2 g?1降至910 m2 g?1，可通过二次活化提升性能。氯化锌（ZnCl?）活化作为路易斯酸催化糖苷键断裂、促进脱羧和芳构化，孔隙发育受原料和热解温度共同影响：林业残余物基活性炭比表面积随温度升高（400–600℃）从569 m2 g?1增至849 m2 g?1，而废弃木材基活性炭在500℃达峰值1430 m2 g?1后下降。碳酸钾（K?CO?）活化在高温下分解产生钾蒸气侵蚀碳基质，浸渍比显著影响孔隙结构，如花生壳基活性炭浸渍比从0增至2时，比表面积从502 m2 g?1升至1150 m2 g?1，但过量会导致过度气化、产率下降。

3.2 生物废弃物衍生磁性纳米颗粒负载活性炭

合成流程包括生物废弃物预处理、热解活化及磁性组分负载（原位或异位）。镍铁氧体（NiFe?O?）/活性炭可通过共沉淀或水热法制备：共沉淀法快速但需精确控pH，水热法颗粒分散更均匀但耗时；NiFe?O?负载可能堵塞孔隙，如水热法制备的比表面积达994 m2 g?1，而共沉淀法仅为153 m2 g?1，且复合材料饱和磁化强度低于纯NiFe?O?。钴铁氧体（CoFe?O?）/活性炭可通过沉淀、水热及回流法制备，水热法可精准控制粒径和结晶度，沉淀法工艺简单且能提升比表面积（核桃壳基复合材料达523 m2 g?1），回流法能耗低、易放大。四氧化三铁（Fe?O?）/活性炭最常用共沉淀法制备，操作简单但颗粒分布易不均；浸渍法无需高温，更节能。锰铁氧体（MnFe?O?）/活性炭可通过煅烧或沉淀法制备，微波辅助共沉淀可将反应时间缩短至3分钟，大幅提升效率。

1. 4.
   布洛芬吸附
   4.1 吸附动力学
   布洛芬在生物废弃物基活性炭上的吸附最符合准二级动力学模型（PSO，R2=0.968–0.999），表明吸附过程以化学吸附为主，涉及布洛芬分子与碳表面官能团的化学作用，高比表面积和含氧官能团增强了二者相互作用。

4.2 吸附等温线

Langmuir模型拟合效果最优（R2=0.978–0.999），最大吸附容量（Q_max）达38–491 mg g?1，说明吸附为均质单分子层吸附，活性位点亲和力一致，毛竹（Phyllostachys edulis）基活性炭Q_max可达491 mg g?1。

4.3 热力学

吉布斯自由能变（ΔG°）多为负值，表明吸附自发；焓变（ΔH°）可正可负，对应吸热或放热过程；熵变（ΔS°）正负反映体系混乱度变化，但目前多数研究使用的热力学计算方程存在偏差，应采用标准平衡常数法进行修正以保证结果准确性。

4.4 响应面法（RSM）优化

采用中心复合设计（CCD）或Box-Behnken设计（BBD）构建二阶模型，优化变量包括温度、吸附剂投加量、pH、时间等。模型R2为0.94–0.99，预测值与实测值吻合度高，如咖啡渣基活性炭在32℃、0.1 g吸附剂、pH 6.8、15 min条件下，预测吸附率98%，实测达100%。

4.5 再生性能

采用NaOH、乙醇、甲醇、HCl等洗脱剂可实现吸附剂再生，再生循环次数为4–10次，如银杏叶基活性炭5次循环后吸附率仅从97%降至93%，而咖啡渣基活性炭5次循环后从69%降至19%。洗脱剂可能造成二次污染，热再生（180–360℃）是潜在替代方案，可分解布洛芬并恢复活性位点。

4.6 吸附机理

主要机制包括氢键、π–π相互作用、静电作用、孔隙填充、疏水作用、阳离子–π作用及偶极–偶极作用，具体主导机制取决于溶液pH和吸附剂表面化学性质。XPS、FTIR及BET表征可验证机理，如咖啡渣基活性炭吸附后C 1s和O 1s谱中羰基峰增强证实氢键作用，比表面积从950 m2 g?1降至142 m2 g?1证实孔隙填充，但现有研究多缺乏充分的表征证据，需加强实验验证。

4.7 与其他吸附剂比较

生物废弃物基活性炭吸附容量为38–491 mg g?1，与金属有机框架（MOFs）、MXene等先进材料相当，且兼具废物资源化、成本低等优势，更具实际应用潜力。

1. 5.
   未来展望与局限性
   未来应推进磁性复合材料规模化制备，开展全生命周期和技术经济评估，验证实际废水处理效能，探索低毒再生方法，修正热力学计算方法，加强吸附机理的实验验证，避免合成过程二次污染，以推动该技术从实验室走向工程应用。
2. 6.
   结论
   生物废弃物衍生活性炭及磁性活性炭凭借高比表面积和吸附容量，是去除水中布洛芬的高效可持续材料，其吸附过程符合准二级动力学和Langmuir模型，可通过多种机制实现布洛芬去除，但仍需解决实际应用中的诸多瓶颈问题。