综述：生物炭通过磁化和矿物浸渍共改性：迈向改进的农业环境应用之路

《Biochar》：Biochar co-modification by magnetization and mineral impregnation: a step towards improved agri-environmental applications

这篇综述系统地阐述了通过磁化(Magnetization)和矿物浸渍(Mineral impregnation)协同改性生物炭(Biochar)，以提升其在土壤修复、水体净化及农业土壤改良等农业环境应用中的效能。文章重点分析了磁性生物炭(MBCs)便于磁回收的优势，以及矿物掺杂(MBC doping)进一步增强表面功能和反应活性的机制，为开发高效、可回收的工程化生物炭材料提供了全面的理论依据和技术展望。

　　

在全球农业环境问题日益严峻的背景下，土壤退化、水体污染及温室气体排放等挑战亟需创新性的可持续解决方案。生物炭，作为一种由生物质热解产生的富碳多孔材料，凭借其稳定的化学结构、大的比表面积和丰富的表面官能团，在应对这些挑战中展现出巨大潜力。然而，原始生物炭在实际应用中面临着反应活性不足、选择性有限以及难以从处理介质中回收等固有局限性。

为了克服这些瓶颈，对生物炭进行改性成为研究热点。其中，磁化与矿物浸渍的共改性策略尤为引人注目。磁化过程通常涉及将铁基等磁性前驱体引入生物炭基质，通过浸渍-热解等方法制备出磁性生物炭。这种改性不仅赋予了生物炭可通过外部磁场轻松分离回收的特性，解决了其粉末形态难以回收的难题，还常常能改善其吸附性能。

与此同时，对MBCs进行矿物掺杂（或称矿物浸渍）可以进一步优化其性能。通过负载镁(Mg)、铝(Al)等矿物元素或氧化物，能够显著增加材料的表面电荷、引入新的活性位点并增强其与特定污染物（如磷酸根离子PO₄^3-）的相互作用，从而提升对各类污染物的去除效率和对土壤养分的缓释能力。

文章深入探讨了生物炭的生产过程及其理化性质的影响因素。原料类型（如木质与非木质生物质、动物粪便）和热解条件（特别是温度）是决定生物炭最终性能的关键。例如，较高的热解温度通常能产生更大的比表面积和孔容积，但会降低产率。原始生物炭已在碳捕集、土壤与水体污染修复、以及作为农业土壤改良剂等方面得到应用，但其局限性催生了改性需求。

改性生物炭的污染物去除机制复杂多样，主要包括孔隙填充、静电结合、表面络合等吸附途径，以及新兴的光辅助降解通路。磁性生物炭与矿物元素的协同作用，使得工程化材料不仅能高效吸附重金属、有机污染物和过量营养盐，还在活化过硫酸盐等高级氧化过程中表现出催化活性，实现污染物的降解而非仅仅是转移。

尽管实验室研究取得了丰硕成果，但将改性生物炭推向大规模田间应用仍面临挑战。未来的研究方向应侧重于优化低成本、低环境影响的合成工艺，深入探究其在实际复杂环境介质中的长效性能与生态安全性，并开发其在提升土壤肥力、促进作物生长方面的直接农艺效益。通过磁化与矿物掺杂的协同设计，工程化生物炭有望成为推动农业与环境可持续发展的重要材料。