《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Engineering novel nanobiochar from pomegranate peel biomass for enhanced 4-nitrophenol removal: synthesis, characterization, and performance evaluation
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石榴皮纳米生物炭通过热解、球磨和超声制备，具有高比表面积和氧官能团，对4-硝基酚吸附容量达84.75 mg/g，Langmuir模型拟合良好，NaOH再生效率达85.76%。
作者：Kustomo|Sam Fong Yau Li
新加坡国立大学理学院化学系，3 Science Drive 3, Lower Kent Ridge, 117543, 新加坡
摘要
本研究利用石榴皮生物质制备的纳米生物炭（NBC）作为一种低成本、温和合成且可持续的吸附剂，有效去除水中的4-硝基酚（4-NP）。NBC通过控制在600°C下的热解（加热速率为10°C/min，N?流量为0.67 L/min）2小时制备，随后通过球磨和超声处理获得高表面积、丰富的含氧官能团以及适合增强吸附性能的纳米级缺陷位点。采用FTIR、XRD、SEM-EDS、TEM、拉曼光谱、BET比表面积分析、TGA、Zeta电位和CHN元素分析等综合表征方法，将NBC的结构和表面特性与其吸附行为联系起来。在优化条件下（pH 6，NBC剂量15 mg，4-NP溶液30 mL，温度298 K），NBC表现出快速的4-NP吸附能力，最大吸附容量为84.75 mg/g，去除效率超过94.12%。Langmuir等温线和伪二级动力学模型能最好地解释实验结果，表明主要发生单层化学吸附且NBC与4-NP之间存在强相互作用。再生实验表明，NaOH的去除效果优于HNO?，连续三次循环后分别达到85.76%和20.53%的4-NP去除率。总体而言，NBC作为一种实用且环境友好的吸附剂，在处理受4-NP污染的水体及相关酚类污染物方面具有良好前景。
引言
人类活动，如工业排放和废物管理不善，已成为淡水质量下降的主要因素。在各种污染物中，4-硝基酚（4-NP）因其高水溶性、化学稳定性和显著的毒性而成为一种持久性和危害性强的化合物。4-NP在环境中的持久性不仅对水生生物造成负面影响，还通过食物链的生物累积对人类健康构成威胁（Acharya等人，2024年）。其化学稳定性和抗微生物分解性使其能够广泛传播，导致长期的环境暴露。世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）将4-NP列为有害污染物，根据EPA 822-F-18-001标准，饮用水中4-NP的最大浓度为0.06 mg/L（EPA，2018年）。在欧盟，饮用水中的4-NP浓度限制更为严格，规定最大浓度为0.1 μg/L，体现了对持久性酚类污染物的预防性措施（Qian等人，2025年）。因此，解决4-NP污染问题对于保护生态系统和公共健康至关重要。这种持续接触引发环境和职业健康方面的担忧，因为长期暴露可能增加人类和生态系统的毒性风险（Cancino-Gordillo等人，2024年；Cardoso Juarez等人，2024年；Chen等人，2023年；Rafat等人，2025年）。研究表明，4-NP会损害哺乳动物和其他动物的中枢神经系统、肝脏、肾脏和造血系统，产生急性和慢性健康影响，包括血液疾病、肾毒性、神经功能障碍以及长期暴露下的致癌和突变风险（Acharya等人，2024年；Mahaulpatha等人，2022年）。
鉴于这些风险和监管要求，修复受4-NP污染的水体既是科学问题，也是公共卫生议题。这些小型且难以处理的有机污染物由于其分子大小和溶解性，通常难以通过混凝沉淀法有效捕获；生物技术往往效果不佳且不彻底，还受到4-NP本身毒性和抑制微生物活性的影响（Mahaulpatha等人，2022年）。为应对这类持久性污染物，研究人员开发了多种先进修复技术，包括光化学氧化（Taghavi Fardood等人，2024年）、Fenton工艺（Nguyen等人，2023年；Wang等人，2025年）以及H?O?辅助的UV处理（Kumar和Sinha，2023年；Yang等人，2024年）。尽管这些方法在实验室规模研究中有效，但将其扩大到实际应用面临诸多挑战（Mahaulpatha等人，2022年）。这些处理过程的主要局限性在于运营成本高、能耗大以及需要持续添加化学物质。此外，处理过程中产生的残留物管理也较为复杂。某些催化材料的稳定性不足和性能有限，进一步限制了这些技术的实际应用。
生物炭（BC）是一种富含碳的材料，通过限氧环境下的有机物热解制备，显示出对多种环境污染物的高效吸附潜力（Weber和Quicker，2018年）。虽然块状生物炭常用于修复，但其有效性常受限于相对较低的表面积和活性官能团的有限接触（Jenie等人，2017年）。通过减小粒径和表面修饰制备的NBC通过增加活性位点和改善孔结构显著提升了吸附能力。这些进步使NBC成为去除持久性有机污染物（如4-NP）的有希望的吸附剂（Bhandari等人，2023年）。其最大优势在于显著增大的比表面积和高度发达的孔结构，从而提高了可用于吸附的反应位点的可及性和密度。这一特性对于有效捕获小分子极性污染物（如4-NP）尤为重要，尤其是在传统材料快速饱和或亲和力不足的情况下。
将废弃物副产品（尤其是果皮）转化为有价值的资源是支持循环经济目标和减少废物的重要策略。石榴皮作为生物炭的来源具有独特优势，因为它们富含木质素和纤维素，易于获取，并且在环境修复中表现出良好效果。石榴皮的组成因品种不同而有所差异，导致颜色、营养成分和有益化合物的不同，进而影响所得生物炭的性能和应用范围。一些广泛认可的石榴皮品种包括“Wonderful”、“Ganesh”、“Bhagwa”、“Ruby”、“Gabsi”和“Mollar de Elche”。果皮的颜色从淡黄色到深红色甚至紫色不等，取决于品种和成熟度。科学研究中通常更青睐红色石榴皮，因为它们含有更高浓度的木质素、纤维素、花青素和单宁等有益化合物，这些成分可提升由此制备的NBC的吸附和抗氧化性能。
石榴皮被广泛认为是制备生物炭和活性炭的有希望的前体（Al-Sareji等人，2023年；Sassi等人，2023年；Zaman等人，2023年）。然而，大多数报道的方法依赖于酸或碱的化学活化来提高表面积和微孔性，而关于未经化学活化的石榴皮NBC的研究仍较少。相比之下，本研究采用了一种绿色且温和的合成路线（控制性缓慢热解后进行球磨和超声处理），无需使用KOH、H?PO?、H?SO?等活化剂，仍能获得高表面积、丰富的含氧官能团、优异的4-硝基酚吸附性能和有效的再生能力，从而提供了一种更简单、更可持续的替代方案，用于解决全球范围内的水污染和资源可持续性问题。
原材料收集与制备
本研究使用的石榴皮来自新加坡当地的食品摊贩和超市，这些果皮通常被视为废弃物。为保持原材料的一致性，仅收集了“Wonderful”品种的果皮。收集后，用去离子水仔细清洗以去除果肉、污垢和其他残留物。果皮先在空气中晾干两天，然后在60°C下烘干至恒重。
生物炭（BC）和纳米生物炭（NBC）的产率
在本研究中，初始石榴皮（25克）转化为生物炭（BC）的转化效率为45.21%（11.30克），进一步转化为纳米生物炭（NBC）的转化效率为19.56%（4.89克），即BC向NBC的转化率为43%。从BC到NBC的转化过程中材料损失与非碳成分的去除及球磨和离心等纳米化处理导致的质量减少有关。
最佳拟合动力学和等温吸附模型结果
利用石榴皮制备的NBC去除4-NP的吸附研究表明，将废弃物转化为有价值的水处理材料具有实际和科学价值（Ajith等人，2021年；Trivedi等人，2025年）。表4中的动力学分析清楚地表明PSO模型能最好地解释4-NP与NBC的相互作用，最高相关系数（R2 = 0.9996）表明了主导的化学吸附机制。
局限性与挑战
将丰富的农业/食品废弃物转化为高性能吸附剂直接支持循环经济原则，大幅减少填埋负担，并将问题生物质转化为增值资源。这种模式不仅减轻了水果加工行业的环境影响，还为发达国家和发展中国家的资源高效污染控制技术提供了蓝图（Ioannidi等人，2024年；Rehman等人，
结论
通过控制性热解、球磨和超声分散制备的石榴皮衍生NBC在4-NP修复方面表现出显著优于传统生物炭的性能。NBC具有高度发达的微-介孔结构，平均孔径约为1.09 nm，比表面积达360.8 m2/g。这种多孔结构为4-NP污染物的去除提供了更多可接触的活性位点。吸附机制研究表明
作者贡献声明
Kustomo：撰写初稿、数据整理、实验研究、数据分析、概念构建。
Sam Fong Yau Li：撰写修订稿、验证结果、监督研究、概念构思。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Kustomo获得了印度尼西亚宗教事务部（MoRA）和印度尼西亚教育捐赠基金（LPDP）合作奖学金计划提供的财政支持。其中一位合著者目前正在该合作计划下获得博士学位奖学金。
致谢
作者衷心感谢新加坡国立大学化学系Sam Li的先进分析化学实验室提供的宝贵实验室资源和支持。本研究还得到了“Beasiswa Indonesia Bangkit”（BIB）项目的资助，该项目由印度尼西亚宗教事务部（MoRA）和印度尼西亚教育捐赠基金（LPDP）合作实施。
