综述：用于通过吸附过程去除无机污染物的藻类生物炭：合成、溶液化学及机理研究

《Journal of Water Process Engineering》：Algal biochar for inorganic pollutant removal via adsorption process: synthesis, solution chemistry, and mechanistic insights

藻类衍生生物炭因其可再生性和高效吸附能力，成为处理水体无机污染物的重要吸附剂。本文系统综述了2018-2025年间藻类生物炭的合成策略（如HTC、热解及改性方法）、吸附性能（pH、离子强度影响）、作用机制（离子交换、络合、沉淀等）及再生利用研究，指出其相较于木质纤维素生物炭在矿物质含量、孔隙结构及重金属固定方面的优势，同时强调需解决重金属残留和副产物风险问题，为实际废水处理应用提供理论支撑。

　　

作者：MiJu Kim, Junghoon Mok, Wonjung Choi, Su Hwan Kim, Seokyoon Moon, Sung Ho Chae, Hojung Rho, Kangmin Chon, Yeomin Yoon, Byung-Moon Jun

韩国京畿道龙仁市箕亨区德庆大路1732号，京熙大学环境科学与工程系，邮编17104

摘要

随着对无机污染物引起的水污染问题日益关注，可持续且经济高效的处理策略已成为亟待研究的重点。在现有的方法中，藻类衍生生物炭作为一种有前景的吸附剂受到重视，因为它具有可再生原料、高吸附能力和环境效益。尽管大多数先前的研究集中在木质纤维素生物炭或广泛的污染物类别上，但藻类衍生生物炭在去除无机污染物方面的具体作用仍缺乏探索。本文总结了藻类衍生生物炭的最新进展，重点讨论了其合成策略、吸附性能、作用机制和可重复使用性。文中还介绍了热解碳化和热处理等制备方法，以及酸活化、金属氧化物掺杂等改性技术。分析内容涵盖四个方面：(i) 不同pH值、离子强度和竞争离子条件下的吸附行为；(ii) 吸附等温线、动力学和扩散过程；(iii) 通过离子交换、静电吸引、络合、沉淀和氧化还原反应等机制；(iv) 解吸特性和可重复使用性。综合性能、安全性和经济性来看，藻类衍生生物炭在废水处理方面具有巨大潜力。总体而言，这些发现突显了藻类衍生生物炭作为可持续吸附剂的潜力，同时也指出了进一步优化以将其从实验室成果转化为实际应用的需求。

引言

过去几十年里，由无机污染物引起的水污染已成为环境科学领域的主要挑战[1]、[2]。这些污染物包括重金属、过量营养物质和放射性元素，对生态系统和人类健康构成严重威胁[3]、[4]。工业化过程中释放的重金属会在水生系统中持续存在，并在食物链中积累，威胁生物多样性[5]、[6]。农业和污水中的磷（P）输入会破坏营养循环，导致藻类大量繁殖和缺氧“死亡区”[7]、[8]。氨氮污染（尤其是浓度超过5 mg·L^?1时）会通过消耗氧气和恶化水质进一步破坏水生环境[9]、[10]。此外，核能中使用铀引发了长期生态损害和放射性污染的担忧[11]、[12]。这些问题共同凸显了迫切需要可持续且经济高效的方法来治理全球水系统中的多种无机污染物[13]。 尽管已经研究了多种水处理方法，如沉淀、膜过滤、生物处理和高级氧化技术，但它们的高成本、操作灵活性差和二次污染问题限制了其实际应用[14]、[15]。在这种情况下，吸附是一种简单、多功能且经济高效的替代方案，具有快速动力学和低有害副产物风险[11]。吸附剂包括碳基材料（如活性炭和生物炭）、沸石、二氧化硅/氧化铝和其他金属氧化物、粘土矿物以及多孔晶体框架（如金属有机框架）。在这些吸附剂中，生物炭因其低成本、高去除效率和可重复使用性而特别适用，已被广泛应用于去除重金属和其他有害物质[5]。生物炭是一种富含碳的材料，通过在缺氧条件下热处理生物质制成，其多孔性、大表面积和稳定的表面化学性质使其成为高效的吸附剂[11]、[16]、[17]。通过热活化或酸处理等物理或化学改性可以进一步提高其吸附能力，从而增强其多孔性、表面积和官能团[18]、[19]。包括异原子掺杂（如Fe、Mg、La、Al、N和P）和与氧化铁复合在内的先进方法还能进一步提升性能，并实现磁回收[7]。 生物炭可由多种低成本原料制成，其中藻类因其快速生长能力和在废水及咸水环境中的适应性而特别具有吸引力[7]、[14]、[19]、[20]、[21]、[22]。由于藻类生物质富含蛋白质和脂质且木质素含量较低，藻类生物炭通常比木质纤维素生物炭含有更高的杂原子（尤其是氮和磷，在某些情况下还包括硫），以及更强的含氧表面官能团，这使其具有更高的阳离子交换能力和更多的络合/离子交换反应位点[22]、[23]、[24]。此外，藻类生物炭的灰分含量通常较高，矿物组成也有所不同，因为藻类能从生长介质中积累无机成分和盐分（如碱土元素及其相关离子），而木质纤维素生物炭的灰分较低，以碳和芳香族化合物为主[22]、[23]、[24]。从结构角度来看，藻类生物炭的比表面积和孔结构可能与木质纤维素生物炭不同，这归因于灰分/矿物形成的模板效应和脱附后的孔隙形成，但在许多情况下这些性质仍强烈依赖于物种和热处理/活化条件[22]、[23]、[24]。此外，将多余的藻类生物质转化为生物炭为管理生物燃料产业产生的残留物或富营养化水体提供了可持续途径，同时还能生产用于污染物去除的功能性材料[20]、[21]、[22]。尽管具有这些优势，但仍存在潜在风险，因为藻类生物质可能含有重金属，且热处理过程中可能产生有害副产物，因此需要系统地进行风险评估[20]、[25]。 以往关于生物炭用于废水处理的综述通常同时讨论有机和无机污染物，仅有少数研究专门关注后者[20]、[21]、[22]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]。虽然一些综述讨论了重金属吸附[28]、[29]、[37]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]，但很少有研究专门针对无机污染物，从而留下了知识空白。吸附一直被认为是有效的治疗策略，并在几乎所有综述文章中得到讨论[22]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]。一些研究强调了高级氧化、生物处理或混合方法等替代方案[20]、[21]、[22]、[27]、[34]、[41]、[50]。尽管所有文献都强调了生物炭的作用[20]、[21]、[22]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]，但大多数综述仍集中在木质纤维素原料上，仅有限的研究简要探讨了藻类衍生生物炭[20]、[21]、[22]、[29]、[36]、[42]、[50]。即使在这些研究中，讨论也往往局限于合成或广泛应用，而未深入探讨具体的污染物去除机制。吸附机制已被广泛报道[20]、[21]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]，但只有少数研究明确考察了水化学的作用[21]、[26]、[29]、[30]、[31]、[33]、[35]、[37]、[39]、[40]、[41]、[45]、[47]、[49]、[51]、[54]，而且很少有研究讨论可重复使用性[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[40]、[41]、[47]、[49]、[51]。这些空白表明，有必要进行专门针对使用藻类衍生生物炭去除无机污染物的综述，将合成方法与水化学、作用机制和可重复使用性相结合[20]、[21]、[22]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]。

本文综述了2018年至2025年间藻类衍生生物炭在去除废水中的无机污染物方面的最新进展，特别强调了藻类生物质作为前体的独特潜力，这一潜力相对于木质纤维素原料而言受到的关注较少。本文结构如下：(i) 藻类衍生生物炭的合成策略；(ii) 在不同水化学条件下的吸附行为，包括pH值影响、竞争离子、浓度和等温线模型、接触时间和动力学模型以及其他环境因素；(iii) 无机污染物的吸附机制，包括非氧化还原活性金属、氧化还原活性金属、磷（P）和其他污染物；(iv) 解吸特性和可重复使用性等实际应用方面。总体而言，本研究旨在填补关键知识空白，并为藻类衍生生物炭在可持续废水处理中的基础理解和大规模应用提供见解。

热解碳化（HTC）

生物炭通常通过热解碳化（HTC）工艺制备，该工艺在温和的温度、压力和水条件下将湿生物质转化为富含碳的固体[55]、[56]。多项研究利用HTC制备了用于去除水中铀（U(VI)的藻类衍生生物炭[57]、[58]、[59]。其中一项代表性研究采用了双模板策略，使用微藻衍生生物炭（A-HTC）来增强U(VI)的吸附效果；

pH值对表面电荷和物种形态的影响

溶液的pH值显著影响吸附效果，因为它同时影响吸附剂的表面电荷和目标污染物的形态[90]。因此，pH值决定了水系统中的静电相互作用和整体吸附效率[90]。一项代表性研究探讨了pH值对硅藻衍生生物炭（DBC500）吸附Pb²⁺的影响，初始pH范围为2–5，以避免Pb²⁺沉淀[91]。如图2(a)所示

非氧化还原活性金属

非氧化还原活性金属（如Pb、Cd和Hg）可以通过矿物沉淀、离子交换和表面官能团络合等方式固定在生物炭上[91]、[99]、[107]、[108]。这些过程受热处理条件和原料矿物组成的强烈影响[91]、[99]、[107]、[108]。光谱和衍射分析方法（如X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱）也被用于研究

解吸特性和可重复使用性

再生可以减少对新吸附剂的需求并降低处置难度[75]、[111]。图9(a)展示了使用MBC-AR作为吸附剂时的氟化物（F^?）吸附和再生性能[75]。已尝试了多种再生方法，包括热处理、化学清洗、电化学过程和溶剂清洗[75]。在测试的解吸剂中，NaOH的回收效率最高（94%），其次是Na₂CO₃（81%）和NaHCO₃（76%）

结论

由无机污染物引起的水污染对生态系统和人类健康构成严重威胁，因此迫切需要可持续且经济高效的处理策略。在现有方法中，藻类衍生生物炭因其高吸附能力和环境效益而成为有前景的吸附剂。然而，与重金属残留物和副产物形成相关的潜在风险需要仔细评估

CRediT作者贡献声明

MiJu Kim：撰写初稿、数据分析、概念构建。 Junghoon Mok：资源获取、方法设计。 Wonjung Choi：软件使用、资源管理。 Su Hwan Kim：数据验证、软件操作。 Seokyoon Moon：资源获取、数据管理。 Sung Ho Chae：资源获取、调查工作、数据分析。 Hojung Rho：资源获取、数据分析。 Kangmin Chon：软件使用、数据分析。 Yeomin Yoon：撰写、审稿与编辑、监督、概念构建。 Byung-Moon Jun：撰写、审稿与编辑。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的资助（项目编号：RS-2024-00512818和RS-2025-00554489）。