综述：强化吸附-光催化修复技术：活性炭载体的优化、反应机制及光反应器系统

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Intensified Adsorption-Photocatalytic Remediation: Activated Carbon Support Tuning, Reaction Mechanisms, and Photoreactor Systems

　　摘要：有机污染是全球面临的重大挑战，它会影响水质和空气质量，对生态系统和人类健康构成严重威胁。因此，开发可持续且成本效益高的治理技术至关重要。本综述旨在进一步了解以活性炭为载体的光催化剂在降解有机污染物方面的最新进展，将其作为一种可持续策略。首先，本文探讨了影响活性炭生产的关键参数，同时阐明了基于活性炭的光催化剂的合成途径以及碳基质在提升催化性能中的作用。此外，还评估了这些复合材料在多种污染物处理中的实际应用效果，证明了它们在去除染料、药物、农药、挥发性有机化合物以及酚类化合物方面的有效性。本研究还强调了关键的操作参数，并深入分析了调控协同吸附-光催化作用的界面机制。最后，本文研究了先进的反应器设计，探讨了当前的技术挑战、未来前景以及战略研究方向，以便推动基于活性炭的混合系统在环境治理中的可持续规模化应用。

引言：由于人口快速增长、工业活动加剧、农业及水产养殖发展，以及生态系统和人类健康所面临的日益严峻的威胁，环境污染已成为现代世界面临的主要挑战之一[1]。在这些污染物中，由有机染料、药物、酚类化合物以及工业废水引发的水体污染尤为紧迫，因为这些物质往往未经处理就直接排放到环境中[2]。这类污染物在常温条件下具有很强的耐热性和耐光性。此外，许多污染物是水溶性、结构复杂的化合物，会在环境中长期存在，对人类健康造成致癌等风险[3]。例如，大量使用的抗生素无法被完全代谢或吸收，从而进入水生生态系统，促使耐药细菌的产生，进而降低感染控制的效率，威胁公共健康[4]。还有一些染料含有高度有毒且不可生物降解的成分，会严重破坏生态环境。这类染料可能干扰光合作用，其含有的萘、联苯等有害衍生物还具有致癌和致突变作用[5]。而像酚类化合物这样的其他有机污染物，即使在很低浓度下也被视为高危害物质，因为它们会在人体内迅速积累，导致肾脏、肝脏及其他器官受损功能异常[6]。因此，开发高效的方法从废水中去除酚类物质显得极为重要。高级氧化工艺，如催化臭氧法、芬顿法及其电化学变体，已被证明在有效去除多种有机污染物方面具有巨大潜力[7,8]。由于操作简单、反应条件温和且能快速产生羟基自由基，芬顿法及其类似方法在研究中得到了广泛应用[9]。然而，实际应用时仍受到Fe+3还原速率慢以及有效pH范围窄的限制。此外，这些工艺需要使用化学计量的氧化剂，往往不得不与光催化、超声催化或电芬顿法等辅助技术结合使用。另外，芬顿法会产生大量铁污泥，且降解效率相对较低，这使得其环境负担比光催化降解更重[10,11]。光催化降解因其高效性、出色的重复性、低能耗、温和的操作条件，以及将有害物质转化为无毒化合物的潜力而备受关注[12]。基于金属氧化物半导体的光催化降解系统，如ZnO、TiO2、WO3、CuO、CeO2和SnO2，因其无毒、环保、稳定性好且易于获取，被视为光催化领域的理想材料[13,14]。然而，这些光催化剂单独使用时存在诸多局限性，如稳定性差、光生电子-空穴对易重新结合、对太阳光的利用不足，以及难以大规模应用[15,16]。为克服这些局限，人们采取了多种尝试，包括金属掺杂、新型纳米复合材料的制备以及异质结构建[17]。光催化方法的优势在于能够提升光催化降解有机污染物的效率及其固有优势。这可通过设计各种异质结来实现，通过面工程和界面工程优化，使光生载流子定向移动到特定活性位点，降低电荷转移阻力。此外，通过缺陷和空位工程可以有针对性地改变电子结构，从而捕获载流子，防止其过早重新结合[18,19]。通过这些方法，可在导带附近引入新的能级，缩小能隙，扩展光吸收范围，从而提升光催化活性。通过物理或化学方式整合光吸收敏化剂，异质结构还能提高半导体的可见光吸收效率。不过，这类有机金属敏化剂通常价格昂贵，且需要大量化学品，会对环境造成负面影响[20]。另一方面，氧化石墨烯和碳纳米管等碳基材料已被广泛用于光催化剂的合成。然而，仍需开发低成本且环保的材料来替代昂贵的碳基载体[21]。由于具有巨大的比表面积、丰富的官能团、微孔结构、较高的表面反应性以及优异的吸附能力，活性炭常被用于光催化剂的合成。此外，活性炭还可以由生物质废弃物等低成本原料通过较为经济的合成方法制得[22,23]。碳是一种具有高电子存储能力的非金属元素，与半导体结合可形成有效的异质光催化体系。碳能够接受来自导带的光激发电子，促进电荷分离，延长电子-空穴对的寿命，同时缩小半导体能隙，增强光吸收能力。活性炭还为污染物提供了吸附位点，有助于将其转移到催化中心，提高降解效率[24]。将多种水处理技术相结合，可以利用各自的优势，弥补单一方法的不足，如效率低、成本高以及可持续性有限等问题，从而实现更有效的废水处理。尤其是吸附与光催化的结合，已被证明是一种极具前景且成本效益高的污染物去除策略[25]。因此，人们采用协同吸附-光催化系统，将活性炭与光催化剂结合，以此提升光催化剂的实际应用效果。这种方法不仅能增加污染物在光催化剂表面的吸附量，促进其降解，还能便于将光催化剂从反应混合物中分离出来[26]。虽然已有文献从生物质来源、合成方法以及污染物去除应用等方面对基于活性炭的光催化剂进行了综述（见表1），但缺乏对其协同吸附-光催化机制的深入分析。此外，现有综述也未探讨将基于活性炭的光催化剂集成到先进的光催化反应器和混合氧化反应器系统中的可能性。本综述的主要目标如下：一）研究生物质来源、活化方法及操作条件对活性炭性质的影响，以及基于活性炭的光催化剂的合成途径；二）系统分析活性炭在不同操作条件下，如何增强界面吸附、电荷分离以及活性物种生成，从而实现多种有机污染物的降解；三）探讨气流式、流化床式、介质阻挡放电等离子体以及光电化学系统等先进的反应器技术，同时分析当前面临的挑战、未来前景以及推动基于活性炭的混合处理系统实现可持续工业化应用的研发方向。