【文献精读】生物炭吸附水溶液中重金属的研究进展

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本文要点

1.严重的金属污染（例如，Cd、Hg、Pb、Cu、Ni、Zn、As和Cr）已成为全球性的重要问题。在各种修复策略中，吸附因其环境可持续性，成本效益和操作简单而被广泛认可。

2.在这种背景下，生物炭由于其有前途的吸附性能而受到了极大的关注。为了系统地支持吸附研究，本文综述了吸附实验的基本模型，包括常用的吸附动力学模型，等温模型，和热力学分析方法。此外，我们系统地分析了影响生物炭吸附重金属的关键因素，如其物理化学性质，环境pH值，温度，初始浓度，剂量，共存离子的存在下，以确定的条件，支配吸附容量。

3.此外，还详细介绍了生物炭对8种重要重金属的吸附性能，重点阐述了其吸附机理，包括络合作用、离子交换作用、阳离子-π键作用、静电作用和沉淀作用。

4.最后，基于确定的研究差距和关键挑战，我们讨论了新兴的研究工具，包括机器学习和先进的表面改性，以指导生物炭材料的有针对性的设计，以提高吸附能力。

图文导读

图 1. 吸附容量影响因素。

图 2. 吸附动力学、吸附等温线以及吸附热力学。 

图 3. 生物炭对重金属的吸附机制。

图 4. 生物炭对重金属吸附的表征结果示例。

结论

本文从影响生物炭吸附能力的因素、吸附模型、吸附效果和吸附机理等方面对生物炭吸附重金属的研究现状进行了综述。

生物炭的吸附性能与其比表面积、孔结构、官能团等性质密切相关。较大的SSA和丰富的孔隙结构为重金属与生物炭的相互作用提供了充足的通道和场所。环境因素，包括pH、温度和竞争离子的存在，也会影响吸附能力。值得注意的是，表面官能团是吸附行为的关键决定因素，因为它们支配着主要的吸附机制。

在吸附模型方面，研究表明，PSO模型在重金属吸附研究中的拟合精度通常最高，而Langmuir等温模型往往比Freundlich模型拟合得更好。这表明生物炭对重金属的吸附行为主要为单分子层化学吸附。

生物炭对重金属的吸附机理多种多样，包括孔隙填充、络合、离子交换、静电作用和沉淀作用。其中，相对稳定的化学相互作用，如络合和沉淀，往往占主导地位的吸附过程。通过综合代表性研究的结果，本文综述了生物炭在污染控制中的实际应用。

尽管取得了这些进展，但在将这些发现转化为实际应用方面仍然存在一些挑战。由于与其他污染物的相互作用，生物炭在复杂基质中的有效性往往会降低，这突出了实验室结果与现场性能之间的差距。此外，大规模生物炭生产的成本，特别是具有增强吸附能力的改性形式的成本，对广泛应用构成了重大障碍。确保生物炭的长期稳定性和可重复使用性对于可持续应用也至关重要，因为生物炭可能随着时间的推移而失去效力或需要复杂的再生过程。为了解决这些问题，未来的研究应优先考虑现场条件下的性能评估（例如，试点研究），并纳入成本效益分析，以评估经济可行性。此外，还可以研究生物炭的老化，以预测和评估其长期环境影响。

最近的进展已经引入了创新的方法来优化生物炭的制备并提高其吸附性能。例如，研究已经探索了机器学习模型的应用，以促进生物炭孔结构的智能设计或执行针对特定反应环境定制的计算优化。这些努力不仅推进了生物炭的结构设计，而且创新性地将人工智能工具引入实验反应模拟。未来的研究应该利用这些先进的计算工具来探索新的官能团工程策略，例如选择性掺杂杂原子（例如，N，S，P）或掺入氧化还原活性位点以增强金属亲和力。通过将实验研究与数据驱动的优化相结合，可以加速高性能生物炭的开发，促进其在环境修复中的实际应用。

总的来说，虽然生物炭在重金属吸附方面有很大的潜力，但进一步的研究对于解决其目前的局限性并释放其作为具有成本效益和环境友好型修复材料的潜力至关重要。生物炭设计的进步，特别是通过机器学习和材料功能化策略的整合，预计将推动基于生物炭的修复技术的下一阶段。

文章转载自：《清华大学 Science of The Total Environment：生物炭吸附水溶液中重金属的研究进展》by生物炭材料

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文章原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2025.178898