**花生壳与小球藻制备K?CO?活化生物炭用于增强卡马西平吸附：性能、机理与可重复利用性**

《Journal of Environmental Management》：Preparation of K 2CO 3-activated biochar from peanut shell and Chlorella for enhanced carbamazepine adsorption: Performance, mechanism, and reusability

　　

摘要

利用花生壳的纤维结构和小球藻内在的富氮组分，以花生壳和小球藻为前驱体，通过一步K₂CO₃活化热解制备了一种多孔生物炭（KBC），以解决传统水处理中卡马西平（CBZ）的持久性污染问题。K₂CO₃活化显著增强了KBC的物理化学性质，其具有高比表面积（362.67 m²/g）、总孔容（0.34 cm³/g）以及增强的石墨化程度，表明表面极性降低。吸附动力学和等温线分别被拟二级动力学模型和Langmuir模型良好拟合，318 K下的最大吸附容量为121.56 mg/g。热力学分析证实吸附为自发的吸热过程且伴随熵增。KBC在pH 3–12的宽pH范围内表现出稳定的吸附性能，经过四次连续循环后仍保留约66.26%的初始吸附容量，表明具有良好的可重复使用性。结合实验表征和密度泛函理论（DFT）计算共同揭示，CBZ的吸附受协同物理吸附机制控制，包括孔填充、π–π电子供体-受体（EDA）相互作用、氢键作用和疏水相互作用，吸附能范围为?0.361至?0.753 eV。本研究为新兴污染物的去除提供了一种高效、可持续的生物炭吸附剂，同时促进了农业废弃物的资源化利用。

引言

近年来，新兴污染物（ECs）在水体系统中频繁被检出并逐渐积累，对全球水资源安全和生态系统完整性构成了重大威胁（Li et al., 2025; Miao et al., 2025; Puri et al., 2023; Zhu et al., 2025）。其中，药品和个人护理用品（PPCPs），包括抗生素、抗癫痫药、降压药、镇痛药和抗炎药，因其显著的生物活性和对环境降解的抗性而引起了广泛的科学关注。在污水处理厂（WWTPs）出水、地表水甚至饮用水源等多种水基质中，均已广泛记录了PPCPs的存在（Silori et al., 2022; Wang et al., 2023; Zhang et al., 2024）。卡马西平（CBZ）是一种具有代表性的难降解污染物，是临床上广泛使用的抗癫痫药物。污水处理厂采用的传统处理工艺对CBZ的去除效率有限，导致其在各种水环境中普遍存在（Delgado et al., 2019; Sathya et al., 2024）。CBZ的长期环境持久性不仅通过破坏水生生物的正常生理功能对其构成威胁，还可能间接促进抗生素抗性基因的产生与传播，从而增加复杂的生态风险（Gubitosa et al., 2025）。在此背景下，设计和实施高效、可持续的先进处理技术以定向去除CBZ等痕量极性药物，已成为亟需解决的研究优先事项。

在众多先进处理技术中，吸附技术凭借其操作简便、能耗较低和有害副产物生成少等优势，作为具有实际应用潜力的选项日益受到关注（Kim et al., 2026; Shilar et al., 2026）。尽管商业活性炭表现出较强的吸附性能，但其在水处理中的大规模应用常因制造成本高和再生困难而受到限制。相比之下，由农业废弃物衍生的生物炭作为一种可持续且经济可行的替代方案，凭借其丰富的原料来源、较低的生产成本和碳负性特征而受到重视（Gong et al., 2024; Qiu et al., 2022; Singh et al., 2020; Wu et al., 2025）。然而，未经改性的生物炭通常存在比表面积有限、孔隙结构不发达以及缺乏活性表面官能团等不足，这些因素共同限制了其对极性有机污染物的亲和力（álvarez-Torrellas et al., 2017; Chu et al., 2019）。这一不足对于CBZ等化合物尤为明显，其分子结构既包含芳香环又含有酰胺基团，在原始生物炭上仅表现出中等程度的吸附。为克服原始生物炭的固有局限，化学活化已成为一种有效的方法来调控其结构和表面特性，从而提高污染物去除效率（Bolan et al., 2023; Márquez et al., 2026）。尽管前景广阔，传统化学活化方法仍面临一些实际应用挑战。例如，虽然强碱或强酸在生成孔隙网络方面十分有效，但其强腐蚀性要求使用特殊材质的反应器，并增加了浸渍比、加热速率和热解气氛等操作参数的协同控制难度（Ren et al., 2023; Siddiqui et al., 2023; Wang et al., 2022）。另一种方法是引入重金属盐以规避腐蚀问题，同时仍能获得定义良好的孔隙结构；然而，此类方法存在因残余金属浸出而导致二次污染的固有风险（Guo et al., 2021; Liang et al., 2020）。在此背景下，碳酸钾（K₂CO₃）因其温和的反应条件和卓越的孔隙调控能力而被认为是特别有利的活化剂（Kueasook et al., 2025; Long et al., 2024; Wang et al., 2025）。在热过程中，K₂CO₃可被还原为金属钾，后者随后嵌入碳晶格中，促进微孔和介孔的生成。此外，其弱碱性特征有利于保留生物炭表面的含氧官能团。

花生壳因其丰富的纤维素、半纤维素和木质素组成，以及高碳含量和低灰分含量，是开发多孔碳材料的理想前驱体（Aryee et al., 2021; Xu et al., 2024）。纤维素基质固有的天然孔隙结构有助于形成有序的孔道，同时提供官能团（芳香环、酚羟基和脂肪羟基），赋予其对染料和多环芳烃等疏水有机污染物的内在亲和力。与此同时，小球藻作为一种富含氮、氧元素的生物质，其有机质含量较高，在热解转化过程中倾向于生成丰富的含氮官能团（如氨基、吡啶氮）和含氧基团（如羟基、羧基），从而表现出显著的吸附能力（Ge et al., 2020; Wei et al., 2022）。然而，目前关于花生壳和小球藻来源的K₂CO₃活化生物炭的系统研究仍较为匮乏，对CBZ吸附的结构-活性关系和分子机制的深入阐明尤为缺乏。

鉴于上述考虑，本研究选用花生壳和小球藻作为生物质前驱体，以K₂CO₃作为化学活化剂，通过一步热解过程制备一系列活化生物炭。由于仅对混合前驱体生物炭（花生壳+小球藻）进行了K₂CO₃活化与否的对比，因此本结果展示的是活化效果，而非两种前驱体之间的协同效应。主要目标是系统研究不同活化参数如何影响所得材料的孔隙结构、表面化学特性和晶体结构，并通过动力学、等温线和pH依赖性实验全面评估其对CBZ的吸附性能。此外，通过结合光谱表征与理论计算，本研究旨在揭示主要的吸附机制和分子相互作用路径。除开发高效、经济的CBZ去除吸附剂外，本研究还旨在从微观层面建立制备参数、结构特征与吸附性能之间内在关系的基本认识。研究成果有望为面向新兴有机污染物的生物炭基吸附剂的理性设计提供理论基础和技术指导。

各章节片段

材料与试剂

实验中所用材料和试剂的详细信息请参见补充材料（文本S1）。

BC/KBC的制备

首先对花生壳进行清洗、干燥、粉碎和筛分处理，然后将其与等质量的小球藻粉末充分混合。该比例的选取基于初步筛选实验（3:1、1:1和1:3；图S1），结果表明等质量混合在K₂CO₃活化后对CBZ的去除效率最高。K₂

表面形貌分析

通过扫描电子显微镜（SEM）对制备的生物炭进行了表面形貌观察，结果如图2所示。BC（图2(a)–(c)）主要呈现片状形貌，表面光滑致密，孔隙发育有限。相比之下，KBC（图2(d)–(f)）表现出粗糙且不均匀的表面结构，其特征是具有丰富的不同尺寸蜂窝状孔隙，形成了发育良好的多孔海绵状结构。这种高度多孔的形貌可能源于

结论

本研究成功通过一步K₂CO₃活化热解，以花生壳和小球藻为前驱体制备了一种高性能多孔生物炭（KBC）。K₂CO₃活化的引入显著增强了所得生物炭的物理化学性能，实现了362.67 m² g^?1的比表面积和0.34 cm³ g^?1的总孔容，同时石墨化程度增加，表明表面极性降低。吸附动力学和

CRediT作者贡献声明

李珍珍：论文撰写–初稿，方法学，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化。吴佳宇：论文撰写–审阅与编辑，监督指导，资源提供，方法学，形式化分析，数据整理，概念化。程婷：论文撰写–审阅与编辑，项目管理，方法学，调查研究，形式化分析。周丽丽：论文撰写–审阅与编辑，软件，资源提供，调查研究，形式化分析。杨雨嘉：可视化，验证，

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所报告工作的已知经济利益或个人关系。

致谢

本研究受到山西省高等学校科技创新项目（编号：2024L364）、山西省大学生创新创业训练计划（S202314101115）的资助。

李珍珍|吴佳宇|程婷|周丽丽|杨雨嘉

太原工业学院环境与安全工程学院，中国山西省太原市，030018