控制实验研究TNT在蒸馏水与海水中的溶解特性及活性炭/生物炭修复潜力

《Heliyon》：Controlled experiments on dissolution and remediation of 2,4,6-trinitrotoluene in distilled water and seawater

本研究针对海洋中遗弃弹药泄漏的2,4,6-三硝基甲苯(TNT)污染问题，通过模拟不同流速条件下TNT在海水与蒸馏水中的溶解动力学，并系统评估商业活性炭(AC)与废弃生物质衍生生物炭对TNT的吸附效能。研究发现海水盐分显著抑制TNT溶解速率（降低约30%），而活性炭（NORIT 830/1240）和稻壳生物炭在2小时内可去除90%以上溶解态TNT。研究为海洋弹药污染风险评估及绿色修复技术开发提供了关键数据支撑。

　　

在绿色能源革命的浪潮下，曾经被视为荒芜之地的海洋区域正成为 Offshore wind and solar farms（海上风能和太阳能农场）建设的黄金地段。然而，这片充满希望的"蓝色经济"新前沿，却隐藏着一个源自历史遗留问题的巨大隐患——海底未爆炸弹药（Unexploded Ordnance, UXO）。早在1972年《伦敦公约》禁止向海洋倾倒废弃物之前，全球各国曾将数以百万吨计的剩余军用弹药沉入海底，视为一种"安全"的处理方式。这些沉睡海底数十至上百年的弹药，如今外壳腐蚀，内部的高能炸药，如广泛使用的2,4,6-三硝基甲苯（TNT），可能正持续向海洋环境泄漏。更令人担忧的是，目前清理这些弹药的主要方式——原位引爆，极易因弹药老化而导致不完全爆炸，反而将更多有毒残留物散布到海水中。TNT及其降解产物，如氨基二硝基甲苯（ADNT）和二氨基硝基甲苯（DANT），对藻类、鱼类（如鲑鱼幼体）和甲壳类动物（如霍氏钝口螈）具有毒性，并能通过食物链富集，最终威胁生态系统和人类健康。因此，准确评估海底弹药中炸药的泄漏风险，并开发有效的原位修复技术，已成为海洋环境安全领域亟待解决的关键问题。

为了厘清TNT在海洋环境中的归趋并探索修复方案，发表在《Heliyon》上的研究团队开展了一系列控制实验。研究主要围绕两个核心问题：1. TNT在模拟海水条件下的溶解行为与在淡水中有何不同？2. 商业活性炭与可持续的生物炭材料能否有效吸附去除海水中的TNT？为此，研究人员首先通过熔铸法制备了标准化的TNT圆柱体样品，并搭建了一套可精确控制水流速的实验装置，模拟海水流经弹药表面的过程，系统监测了TNT在蒸馏水和人工海水中的溶解动力学。其次，他们选取了三种商业活性炭（如NORIT 830、NORIT 1240）和两种废弃生物质（稻壳、小麦秸秆）制备的生物炭，通过批次吸附实验，比较了这些材料在蒸馏水和海水中对TNT的吸附效率与速率，并采用吸附等温线模型（Langmuir, Freundlich, Temkin）和扫描电子显微镜（SEM）分析了吸附机理。最后，他们还评估了将高效吸附材料封装在透水"修复荚"中用于控制污染扩散的可行性。

研究的关键技术方法包括：使用熔铸TNT圆柱体模拟块状炸药，通过定制水流装置模拟海洋流速环境；利用高效液相色谱（HPLC）精确量化TNT浓度；采用批次实验比较多种活性炭和生物炭的吸附性能，并通过吸附等温线模型和SEM进行机理探究；设计包含吸附材料的修复荚进行可控环境修复测试。

3.1. TNT在水中的溶解

研究发现，水流速度是影响TNT溶解的关键因素。在蒸馏水中，直接冲刷TNT表面的水流速度从13 cm/s增至58 cm/s时，TNT的溶解速率显著提升。与静态水相比，即使是最低流速（1 cm/s）也能大幅提高溶解速率。这表明海底洋流会加速弹药中炸药的泄漏。

更重要的是，TNT在海水中的溶解行为与在蒸馏水中存在显著差异。在相同的流速条件下，海水中的TNT溶解速率比在蒸馏水中低约30%。例如，在38 cm/s的中等流速下，海水中的TNT质量损失仅为7.9 mg，而在蒸馏水中相似流速下的质量损失高达70.4 mg。这表明海水中高浓度的盐离子抑制了TNT的溶解过程。这一发现意味着，在真实的海洋环境中，从弹药中泄漏出的块状TNT可能需要比在淡水环境中长得多的时间才能完全溶解，这降低了其短期内的急性生态风险，但增加了长期慢性污染的担忧。对于一颗含有10公斤TNT的炮弹，在海水环境中完全溶解可能需要极长的时间，这为在弹药完全分解前实施修复措施提供了时间窗口。

3.2. 活性炭在盐水中对TNT的吸附

面对可能存在的TNT污染，快速、高效的修复技术至关重要。研究人员测试了多种吸附材料的性能。

在蒸馏水和海水中，小麦秸秆生物炭的吸附性能相对较差，仅能去除40%-58%的TNT。而商业活性炭（如NORIT 830）和稻壳生物炭表现出色。特别值得注意的是，经过研磨处理的稻壳生物炭在海水中的吸附效果尤其突出，在接触仅15分钟后就能去除超过60%的TNT，2小时后去除率可达90%以上，其性能甚至优于某些商业活性炭（如NORIT 1240）。这表明，源自农业废弃物的生物炭，在经过简单物理加工后，可以成为一种低成本、高性能的海洋炸药污染修复材料。

3.3. 通过等温线分析最大吸附容量

为了深入理解吸附机理，研究人员利用等温线模型对数据进行了拟合。稻壳生物炭在海水中的吸附行为更符合Langmuir模型，表明TNT分子在其表面形成了单分子层吸附，且颗粒内扩散是速率控制步骤。而在蒸馏水中，其吸附行为更符合Freundlich模型，暗示了更复杂的异质表面相互作用。这种差异可能与海水中的盐离子影响了生物炭表面性质以及与TNT的相互作用有关。

SEM观察结果为此提供了直观证据。

未研磨的稻壳生物炭颗粒表面相对光滑，有利于在蒸馏水中形成有效的孔内吸附。然而，在海水环境中，盐分等杂质会附着并损伤其表面，产生裂纹，从而降低吸附效率。相反，研磨后的稻壳生物炭具有更大且更多样化的表面积和孔隙结构，更能耐受海水环境的影响，从而保持了高效的TNT吸附能力。这解释了为何研磨稻壳生物炭在海水中的表现优于其未研磨状态和一些商业活性炭。

3.4. 密闭环境中研磨稻壳和Norit 1240的效率

在实际应用中，直接将粉末状吸附剂投放到开放海域是不可行的。因此，研究人员将性能最优的两种材料——NORIT 1240活性炭和研磨稻壳生物炭——封装在带细密不锈钢网的"修复荚"中进行了测试。

结果显示，虽然吸附速率比直接混合慢，但NORIT 1240在135分钟内仍能将TNT浓度降至检测限以下。研磨稻壳生物炭在135分钟时去除效率稍低，但在24小时后也能去除95%的TNT，其最终效果与直接混合时相近。这表明，将吸附材料封装后使用，是一种可行且环境风险更低的海洋修复策略。

本研究通过严谨的控制实验揭示了TNT在海洋环境中的独特行为：海水盐分能显著延缓TNT的溶解速率，这可能使块状炸药在海底留存更长时间，从而为修复行动创造了机会。更重要的是，研究证实了废弃生物质（如稻壳）衍生的生物炭，在经过简单加工后，对海水中TNT的吸附性能可与商业活性炭相媲美，甚至更优。这为开发低成本、可持续的海洋炸药污染原位修复技术提供了科学依据和材料选择。将高效吸附材料封装于可控的"修复荚"中，有望成为一种针对海底弹药清理作业区或已知污染点的实用化修复方案。未来研究需要进一步在更接近真实海洋环境的复杂条件下验证这些技术的有效性，并评估其对整个海洋生态系统的长期影响。这项工作不仅增进了对历史遗留海洋弹药环境风险的理解，也为实现蓝色经济的可持续发展提供了重要的技术支撑。