综述：由木质纤维素生物质制备的工程化生物炭：基于结构与性能特性的设计，用于废水中有针对性的污染物去除

《Journal of Molecular Liquids》：Engineered biochar from lignocellulosic biomass: Structure-property guided design for targeted contaminant removal in wastewater

生物炭作为可持续水处理材料，其结构特性与制备工艺对污染物吸附性能至关重要。研究揭示了木质素含量高的生物质（如硬木）在高温热解（500℃）下形成高比表面积（>500 m2/g）和芳香性结构，显著提升重金属和有机污染物吸附效率。化学活化（KOH、H?PO?）和掺杂（N、S）可增强催化活性，如99.7%的磺胺甲噁唑降解。但存在热解温度与官能团保留的平衡问题、先进制备技术规模化困难、特定废水类型验证不足三大缺口，需结合生命周期评估优化工艺并推动标准化应用。

　　近年来，随着全球对可持续发展和环境保护的重视，生物炭（Biochar, BC）作为一种由木质纤维素生物质衍生的吸附材料，在废水处理领域展现出巨大的潜力。它不仅能够有效去除农业、工业和生活污水中的污染物，还能实现农业废弃物的资源化利用，为水资源的再利用提供了新的解决方案。然而，尽管生物炭在实际应用中表现出色，其结构、性能与应用之间的关系仍存在许多未解之谜，尤其是在优化热化学转化技术以实现特定污染物去除方面。本文旨在系统分析这一领域的最新进展，探讨生物炭在废水处理中的关键作用，并为未来的研发和应用提供指导。

木质纤维素生物质主要由三种多糖类成分构成：纤维素、半纤维素和木质素。这三种成分的组成和结构特性对生物炭的性能有着决定性的影响。例如，木质素含量较高的原料（如硬木）能够产生具有优异孔隙结构（BET比表面积>500 m2/g）和芳香性的生物炭，这使得其在重金属吸附方面表现出色。相反，纤维素含量较高的原料则可能在吸附有机染料方面具有更高的效率。因此，深入研究不同原料成分对生物炭性能的影响，是设计高性能生物炭系统的关键。

在生物炭的制备过程中，热解条件（如温度、升温速率、停留时间）对其最终性能具有重要影响。研究表明，较低的热解温度（如500°C）能够保留更多的含氧官能团（如羧基、羟基），从而增强其与污染物（如Cd2?和Cr??）之间的静电相互作用。而较高的热解温度则可能促进芳香结构的形成，提升生物炭的π-π堆积能力，使其在有机染料吸附方面表现更佳。这种温度与性能之间的权衡关系，是当前研究中的一个重要课题。此外，化学活化（如KOH、H?PO?）和杂原子掺杂（如N、S）等技术的应用，也显著提升了生物炭在高级氧化工艺中的催化活性，例如在过硫酸盐活化下，生物炭对磺胺甲噁唑的降解效率可达99.7%。

生物炭的制备方法多种多样，从传统的热解技术到先进的热化学工艺，如气化、水热碳化和热解等。每种方法都会对生物炭的产量、理化性质和吸附性能产生不同的影响。例如，慢速热解（500°C）能够在保持较高吸附容量的同时，实现良好的能量效率（ΔH = -1.2 MJ/kg）。而微波辅助热解和闪焦加热等新兴方法则在提高生产效率和减少能耗方面展现出优势。然而，这些先进技术在大规模应用方面仍面临挑战，包括成本、操作复杂性和环境适应性等问题。因此，未来的研究需要更加关注这些方法的可扩展性，以实现其在实际工程中的广泛应用。

除了技术层面的研究，生物炭的环境影响和经济价值也是不可忽视的重要因素。生物炭的生产过程涉及生命周期评估（Life-Cycle Assessment, LCA），这有助于全面分析其在环境和经济方面的可持续性。研究表明，利用农业废弃物制备生物炭，不仅能够降低生产成本，还能减少对环境的负担。此外，生物炭的使用能够有效减少二次土壤盐碱化问题，这对于农业水资源安全具有重要意义。因此，在设计生物炭系统时，需要综合考虑其环境影响和经济价值，以确保其在实际应用中的可行性。

随着全球对水资源问题的关注不断加深，生物炭在废水处理中的应用前景愈发广阔。尤其是在发展中国家，由于工业快速发展和人口增长，废水污染问题日益严重。农业、工业和生活污水中所含的污染物种类繁多，包括重金属、药物残留和持久性有机污染物等。这些污染物对生态系统和人类健康构成了严重威胁，因此，开发高效、低成本的废水处理技术成为当务之急。生物炭作为一种具有优异吸附性能的材料，能够有效应对这些问题，同时实现农业废弃物的资源化利用。

目前，关于生物炭的研究主要集中在工程和化学领域，显示出其高度的跨学科特性。从文献计量分析来看，自2011年以来，关于木质纤维素生物质衍生的生物炭研究数量持续增长，尤其是在2021年达到高峰，占总发表量的11.7%。这一趋势表明，生物炭研究已成为一个重要的科研前沿，并且仍在不断扩展。此外，研究还涉及能源与燃料、材料科学、环境科学与生态学等多个领域，进一步凸显了其在多方面应用的潜力。

在实际应用中，生物炭的性能不仅取决于其原料成分和制备方法，还受到多种外部因素的影响。例如，不同作物和农业废弃物（如坚果壳、玉米芯、甘蔗渣、稻壳、水果皮、橄榄或烟草废弃物）的来源会影响生物炭的理化性质。此外，生物质的类型、土壤特性、生态条件、施用的肥料、生长条件以及收集方法等都会对生物炭的性能产生影响。因此，在设计生物炭系统时，需要充分考虑这些因素，以确保其在不同应用场景下的适应性和有效性。

生物炭在废水处理中的应用还涉及到其在不同污染源中的适用性。例如，农业废水中的污染物主要包括重金属、药物残留和持久性有机污染物，而工业废水中的污染物则可能更加复杂，包括有机染料、重金属和有害化学物质等。因此，生物炭需要根据不同污染物的性质进行定制化设计，以实现最佳的吸附效果。此外，生物炭的使用还需要考虑到其在实际工程中的可操作性和可扩展性，这需要进一步的研究和优化。

未来的研究方向不仅包括技术层面的优化，还涉及政策层面的支持。例如，生物炭在实际应用中需要遵循标准化的生产流程和操作规范，以确保其质量和性能的稳定性。此外，政策支持也是推动生物炭在废水处理中广泛应用的重要因素。因此，未来的研究需要更加关注这些方面，以实现生物炭在实际工程中的推广和应用。

总之，生物炭作为一种由木质纤维素生物质衍生的吸附材料，在废水处理领域展现出巨大的潜力。其性能不仅取决于原料成分和制备方法，还受到多种外部因素的影响。因此，深入研究这些因素，优化生物炭的性能，是实现其在实际应用中的关键。同时，生物炭的环境影响和经济价值也需要得到充分考虑，以确保其在可持续发展和环境保护中的可行性。未来的研究需要更加关注技术、政策和经济等多个方面，以推动生物炭在废水处理中的广泛应用。