综述：农业废弃物基活性炭制备技术用于废水处理的进展：全面综述

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Advances in the preparation of activated carbon derived from agricultural waste as a sustainable solution for wastewater treatment: A comprehensive review

本文全面综述了利用农业废弃物制备活性炭（AC）作为可持续吸附剂用于废水处理的最新进展，系统探讨了制备方法（物理/化学/微波辅助/水热/后修饰等）、结构性能调控、吸附机理（包括对新兴污染物如PFAS的去除）、AI/ML优化、再生性、生命周期评估（LCA）及与联合国可持续发展目标（SDGs）的关联。文章强调了从农业废弃物到高性能吸附剂的转化，是同时实现废物资源化与环境污染控制、推进循环经济的有前景路径。

　　

农业废弃物基活性炭（ACAW）的制备与活化技术

活性炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的材料，广泛应用于水处理中污染物的吸附去除。使用农业废弃物作为其前驱体，不仅成本低廉、来源广泛，还能实现废弃物的增值利用，符合循环经济理念。农业废弃物主要是木质纤维素材料，由纤维素、半纤维素和木质素组成。其中，木质素含量对热解过程中微孔结构的形成和热稳定碳骨架的保留有重要影响。在制备前，原料需经过清洗、干燥、研磨等预处理，以去除杂质并获得合适的颗粒尺寸。

活化是赋予材料孔隙结构的关键步骤，主要分为物理活化和化学活化。物理活化通常包括在惰性气氛（如N₂）下的碳化和随后在高温（700–950 °C）下使用CO₂或水蒸气等氧化性气体的活化。这种方法化学品用量少，但对孔隙尺寸分布的控制力较弱。化学活化则更为常用，通过将前驱体与化学试剂（如KOH、H₃PO₄、ZnCl₂）混合，在相对较低温度下同步完成碳化与活化，能高效地创造高比表面积。不过，化学活化会消耗化学品并产生需要处理的废水。

除了传统方法，一些先进技术也显示出巨大潜力。微波辅助活化利用微波的体积加热效应，大幅缩短处理时间并降低能耗，与化学试剂结合时可制备出具有大比表面积和发达孔道的活性炭。水热碳化（HTC）则在较低温度（180–250 °C）和自生压力下，将生物质转化为水热炭（Hydrochar），再经活化获得高性能活性炭，该过程被认为能量效率更高。此外，通过后修饰技术，如在活性炭上负载纳米颗粒（如Ag、SiO₂）、进行金属掺杂（如Fe、Mn）或制备磁性活性炭（如负载Fe₃O₄），可以显著增强材料的吸附能力、赋予其催化活性或实现使用后的简便磁分离。

多样化的农业废弃物前驱体及其吸附效能

多种农业废弃物已被成功转化为活性炭，用于去除水中的各类污染物。常见的原料包括椰子壳、甘蔗渣、玉米芯、稻壳、橄榄渣、茶叶渣、咖啡渣等。这些原料的木质纤维素组成（纤维素、半纤维素、木质素的比例）不同，会影响最终活性炭的孔隙结构和表面化学性质，进而影响其吸附性能。

例如，以椰子壳为原料制备的活性炭，因其高密度和发达的微孔结构，对重金属（如Pb、Cd、Cr）和有机污染物都有良好的吸附效果。龙果皮活性炭对亚甲基蓝染料的吸附容量可达195.2 mg/g。玉米秸秆活性炭对全氟辛烷磺酸（PFOS）的吸附容量为169.3 mg/g。经过改性后的材料性能更优，如用Fe/S共掺杂的稻草活性炭，对砷和铅的吸附在二元体系中甚至表现出协同效应。这些研究表明，通过选择合适的废弃物和优化制备工艺，可以获得针对特定污染物的高效吸附剂。

面对复杂体系：多污染物吸附的挑战与机理

实际废水通常是多种污染物共存的复杂体系。活性炭在去除单一污染物时，主要机理包括孔隙填充、静电吸引、氢键、π-π相互作用、表面络合和离子交换等。然而，在多污染物（二元或多元）体系中，污染物之间会竞争吸附位点，产生协同、拮抗或无相互作用的复杂行为。

例如，柚子皮活性炭同时吸附铬（VI）和苯酚时，由于铬（VI）对活性位点有更强的亲和力，抑制了苯酚的吸附，表现为拮抗效应。相反，玉米秸秆活性炭在吸附镉和砷的二元体系中，却观察到了吸附容量提升的协同效应。污染物之间的相互作用取决于它们的分子大小、电荷性质、相对亲和力以及活性炭表面官能团的多样性。理解这些相互作用对于设计能同时处理多种污染物的广谱吸附剂至关重要。

应对新兴污染物的表面功能化策略

新兴污染物，如亲水性药物和短链全氟和多氟烷基物质（PFAS），由于疏水性较弱，难以被传统活性炭有效吸附。为此，需要对活性炭进行表面功能化改造。例如，通过氮掺杂在表面引入含氮官能团，可以增加材料表面的正电性，通过静电作用增强对阴离子型PFAS的吸引。用阳离子聚合物（如聚二烯丙基二甲基氯化铵）涂层修饰，也能引入季铵盐基团，提升对短链PFAS的捕获能力。这些功能化策略将活性炭从依赖疏水作用的吸附剂，转变为兼具静电作用和特定官能团反应的“设计型”吸附剂。

人工智能与机器学习在材料制备中的革新

活性炭的制备涉及前驱体选择、活化剂种类、温度、时间等多个变量，传统优化方法耗时耗力。人工智能（AI）和机器学习（ML）为这一过程带来了变革。通过收集已发表的实验数据构建数据集，可以训练随机森林（RF）、梯度提升（GBR）、支持向量机（SVM）等模型，来预测特定制备条件（如活化温度、浸渍比）下所得活性炭的性能（如BET比表面积、孔体积、产率）。

研究表明，这类ML模型能够高精度（R2 > 0.90）地预测结果，并识别出影响产物性能的关键参数（通常是活化温度和化学浸渍比）。这极大地减少了“试错”实验，加速了针对目标性能（如高比表面积、对特定污染物的高吸附量）的材料设计与工艺优化，实现了从经验驱动到数据驱动的转变。

吸附剂的“再生”：可持续运行的关键

为使吸附过程在经济和环境上均可持续，活性炭的再生与重复使用至关重要。再生方法包括热再生、化学洗脱、溶剂萃取和微波再生等。评估再生效率不仅要看吸附容量的恢复率（通常良好材料能在3-5个循环后保持70-90%的初始容量），还要考虑材料的磨损损失和机械完整性。反复的再生可能导致孔结构坍塌、官能团流失或颗粒破碎。

一种有前景的策略是开发吸附-光催化复合材料，例如将TiO₂负载于活性炭上。在这种复合材料中，活性炭负责富集污染物，而其表面的光催化剂在光照下降解被吸附的污染物，从而实现材料的“自我清洁”和原位再生，延长使用寿命，减少二次废物产生。

全周期视野：生命周期评估与可持续发展贡献

从“摇篮到坟墓”的角度系统评估农业废弃物基活性炭的环境影响，生命周期评估（LCA）是重要工具。评估涵盖原料收集、运输、预处理、活化、后处理、使用、再生直至最终处置的所有阶段。研究表明，与以化石燃料为前驱体的传统活性炭相比，利用农业废弃物制备活性炭通常能显著降低全球变暖潜能和一次能源消耗，这主要得益于将废弃物转化为资源，避免了废弃物处置带来的环境影响以及替代了高能耗的原料生产。

此外，这项技术紧密契合联合国可持续发展目标（SDGs）。它通过将农业废弃物转化为有价值的产品（活性炭）来促进可持续的废物管理，有助于实现“负责任的消费和生产”（SDG 12）。同时，利用该活性炭高效去除水体污染物，直接贡献于“清洁饮水和卫生设施”（SDG 6）和“水下生物”（SDG 14）的保护。整个过程还体现了“产业、创新和基础设施”（SDG 9）中的绿色创新，并通过创造循环经济模式支持“气候行动”（SDG 13）。

结论与展望

利用农业废弃物制备活性炭用于废水处理，是一条将环境挑战转化为资源机遇的可持续路径。通过对前驱体的选择、活化与改性技术的精细调控，可以制备出性能可与商业产品媲美甚至更优的吸附剂。面对成分复杂的实际废水，需深入研究多污染物吸附机理和竞争行为。AI/ML的引入为材料研发带来了前所未有的效率和预见性。未来的研究应更注重材料的长期稳定性、规模化生产的可行性、再生技术的经济性，并将生命周期思维和可持续性指标更深地融入材料设计与工艺优化中，以推动这一绿色技术从实验室走向更广泛的实际应用。