优化了一步热解合成锌改性污泥生物炭的方法，以增强其对水中全氟辛烷磺酸盐的去除效果

《Environmental Research》：Optimized one-step pyrolysis synthesis of zinc-modified sludge biochar for enhanced perfluorooctane sulfonate removal from water

本研究开发了一种新型锌改性污泥生物炭（Zn/SBC），通过一阶段活化工艺显著提升其比表面积（达261.33 m2/g），实现PFOS高效去除（>99%在pH 3-11），且经5次循环后吸附性能保持稳定。材料通过静电吸引、表面络合、π-阴离子相互作用及疏水效应协同作用提升吸附效率，同时实现污泥资源化利用，为持久性有机污染物治理提供低成本解决方案。

　　

李穆兹|刘然斌|郝晓迪|赵东叶|程曦|潘健|徐天元|田书婷|朱阳摩

教育部城市雨水系统与水环境重点实验室/中荷未来污水处理技术研发中心，北京土木工程与建筑大学，北京，100044，中国

摘要

全氟辛烷磺酸（PFOS）由于其普遍存在于环境中以及对健康的不良影响而受到全球越来越多的关注。本研究提出了一种协同策略，通过开发一种新型的锌改性污泥基生物炭（Zn/SBC）来应对PFOS污染和可持续污泥处理的双重挑战，以实现高效去除PFOS。创新之处在于使用ZnCl₂作为活化剂进行一步热解，该方法显著提高了比表面积（达到261.33 m²/g），形成了发达的微孔和中孔结构。在优化条件下，26%Zn/SBC的PFOS吸附能力为60.14 mg/g，是原始生物炭的5.83倍，并且在广泛的pH范围（3–11）内实现了超过99%的去除率。该材料表现出显著的稳定性，在高浓度竞争离子和腐殖酸存在下仍能保持93.6%以上的去除效率。经过5次重复使用后，26%Zn/SBC对PFOS的吸附能力仍然很高。此外，26%Zn/SBC对PFOS的优异吸附性能归因于多种协同机制，包括由零电荷点（pH_PZC=8.1）促进的静电吸引、与Zn/ZnO位点的表面复合、π-阴离子相互作用以及疏水效应。本研究不仅提供了一种高性能且低成本的PFOS吸附剂，具有更经济有效的PFAS去除潜力，还建立了一种可持续的“废物变财富”策略，为实际解决水环境中持久性有机污染物的问题铺平了道路。

引言

全氟烷基物质（PFAS）是一类广泛应用于各种工业和消费品中的污染物，因其独特的物理化学性质（Forster等人，2023；Munoz等人，2023）。美国环境保护署（EPA）已鉴定出大约15,000种PFAS结构，随着更多PFAS的发现和研究，这一数字可能会继续增加（EPA，2024）。许多研究表明，人类接触PFAS与多种急性和慢性疾病有关，包括甲状腺疾病、哮喘、焦虑、肥胖和儿童过敏（Grunfeld等人，2024；Smallwood等人，2023；Zhou等人，2024）。尽管健康问题促使欧洲和美国的制造商在21世纪初逐步淘汰了检测到的主要PFAS化合物——全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS），但PFOA和PFOS过去的广泛使用及其高持久性导致了持久的水污染问题（Hartz等人，2024；Johnson，2022；Kang等人，2025；Li等人，2020）。由于在地表水中频繁检测到高浓度的PFOS和PFOA（Forster等人，2024），以及它们对人类健康的不良影响，世界各国政府和监管机构实施了限制和法规。EPA为饮用水中的PFOA（4 ng/L）和PFOS（4 ng/L）设定了具有法律约束力的最大污染物浓度（MCLs），这比2016年制定的PFOA和PFOS总和的健康建议值（70 ng/L）要严格得多（EPA，2024）。目前中国的饮用水质量标准（GB 5749-2022）规定了PFOA（80 ng/L）和PFOS（40 ng/L）的具体浓度限制（GB5749-2022，2022）。

吸附是去除水和废水中的PFAS的一种常见且广泛采用的处理方法（Cheng等人，2025；Dong等人，2024；Zhu等人，2022；Zhu等人，2021）。Alameddine等人（2025）报告称，在饮用水处理厂中，剂量为10 mg/L的粉末活性炭（PAC）可在10分钟后去除40%的总PFAS₇₆和25%的长链PFAS；然而，颗粒活性炭（GAC，10 mg/L）对PFAS₇₆（43%）和长链PFAS（80%）的吸附效率更高。此外，还对阴离子交换树脂（AER）从镀铬废水中吸附PFOS的试点规模性能进行了评估，发现AER单位体积的PFOS吸附能力高出一个数量级（Jiang等人，2024）。尽管吸附被认为是一种有前景的PFAS去除方法，因其高效、低成本和最小环境影响，但传统吸附剂（如AC和阴离子交换树脂）的成本较高，这推动了对更经济替代品的需求（Qian等人，2024；Yang等人，2025a；Zhu等人，2022）。

污泥基生物炭（SBC）因其相对于其他碳基吸附剂的独特优势（如低成本、高生物相容性、优异的导电性和强大的吸附能力）而在水中吸附新型有机污染物方面受到越来越多的关注（Yuan等人，2016；Zhang等人，2025）。此外，将污水处理厂的污泥回收为高效的吸附剂为解决高产量问题提供了方案——2020年欧盟产生了约1500万吨干重的污泥，美国产生了475万吨，中国产生了约780万吨（USEPA，2025；Wei等人，2020；Yu等人，2023）。不当处理如此大量的污泥会带来严重的环境污染风险，包括释放气味、疾病传播、重金属生物积累和温室气体（GHG）排放（Singh等人，2011）。因此，有效利用污泥有望成为废物增值的有前景的方法。Krahn等人（2023）发现，6种PFAS在SBC（热解温度=700 °C）中的对数线性生物炭-水分配系数与商用活性炭相当。此外，SBC的生产成本估计为1.2美元/千克，不仅远低于商用活性炭（>3美元/千克），而且通过出售SBC和回收能源副产品（如不可凝气体和生物油）可以产生约2-7美元/千克的净收入（Mohamed等人，2022）。这些发现突显了使用污泥基吸附剂浓缩水相中PFAS的潜力。然而，使用市政污泥替代活性炭进行PFAS吸附的一个关键挑战在于其通常较低的碳含量、孔隙率和表面积（Leng等人，2021）。近年来，研究人员研究了多种方法来提高污泥基吸附剂的吸附性能，包括物理活化（Mian等人，2023）、化学处理（Leng等人，2021；Liu等人，2022b）和热处理（Cao等人，2024）。虽然物理方法（如热气和蒸汽）在修改污泥方面更便宜且更环保，但在增加表面积和孔隙率方面，物理活化的效果不如化学活化（Liu等人，2022b）。在化学处理方面，已采用各种无机活化剂通过一步热解方法来提高污泥基生物炭的吸附性能（表S1）。其中，金属浸渍的污泥基生物炭表现出更强的吸附能力，这归因于形成的多孔结构、引入的额外表面官能团、增强的矿物-碳界面相互作用以及与目标污染物的静电吸引和/或金属复合（Duarte等人，2025；Yan等人，2020）。然而，关于使用金属改性污泥基生物炭去除水中PFOS的信息仍然不足。我们期望这种复合材料不仅能实现“废物变财富”的策略，还能通过多种协同机制成为受污染水中PFOS的有效吸附剂。

因此，本研究的总体目标是制备金属浸渍吸附剂Me/SBC，并测试其在水中去除PFOS的吸附性能。具体目标包括：（1）使用市政污泥作为基底和MeCl_n作为活化剂制备Me/SBC；（2）全面比较不同Me/SBC的PFOS吸附性能；（3）研究最佳Me/SBC材料的PFOS去除效率；（4）通过全面表征阐明PFOS在最佳Me/SBC材料上的吸附机制；（5）评估各种水参数对PFOS吸附性能的影响。

章节摘录

化学品和材料

污泥来自中国河南省的Stirrup污水处理厂。钾L-全氟辛烷磺酸（KClPFOOS）和钠全氟-1-[13C8]-辛烷磺酸（M8PFOS）从加拿大安大略省的Wellington Laboratories Inc.购买，其中M8PFOS被用作PFOS分析的同位素标记内标（IS）。使用氯化锌（ZnCl₂）、氯化锂（LiCl）、氯化钾（KCl）、氯化钙（CaCl₂）、氯化镁（MgCl₂）、氯化铁（FeCl₃、氯化镧（LaCl₃）等。

污泥特性

表S2总结了原始污泥的物理化学性质。湿污泥的pH值为7.7 ± 0.2，经在120 °C下烘干24小时后，水分含量为84.2%。根据EPA方法160.4（EPA，1996），干燥后的污泥颗粒在马弗炉中于550 °C下煅烧6小时，测得的有机含量为42.2%。干燥污泥颗粒的有机含量也为42.2%。此外，主要元素包括...

结论

本研究通过一步热解成功制备了锌改性污泥基生物炭26%Zn/SBC，用于高效去除水中的PFOS。主要发现总结如下：

• 1)
  在各种金属氯化物活化剂中，ZnCl₂表现出最佳的PFOS去除效率。最佳Zn/SBC的制备条件为：ZnCl₂溶液体积与SBC质量的比值为2:1，Zn含量为26 wt.%，煅烧温度为500 °C，材料用量为1

作者贡献声明

朱阳摩：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念化。李穆兹：撰写 – 原稿、软件、方法学、研究、数据分析、概念化。程曦：方法学、研究。刘然斌：撰写 – 审稿与编辑、监督、数据分析。郝晓迪：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。潘健：软件、研究、数据分析。徐天元：撰写 – 审稿与编辑、监督。

未引用参考文献

GB5749-2022；中国，2022；Li等人，2021a；Li等人，2021b；Mo等人，2024。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢北京土木工程与建筑大学城市雨水系统与水环境重点实验室开放研究基金、北京土木工程与建筑大学培养项目基金（X24015）以及BUCEA研究生创新项目的部分财政支持。