《Nano-Structures & Nano-Objects》：Biomass-derived activated carbon supported silver nanoparticles for water disinfection: A comprehensive review
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本综述探讨了生物质衍生活性炭负载银纳米颗粒（AgNPs）作为一种可持续的水消毒解决方案。水源中病原体、有机污染物及重金属的污染在全球范围内构成重大健康风险，凸显了对高效、低成本水处理技术的迫切需求。AgNPs展现出强效抗菌特性，尤其在纳米尺度下表现显著，但其面
本综述探讨了生物质衍生活性炭负载银纳米颗粒（AgNPs）作为一种可持续的水消毒解决方案。水源中病原体、有机污染物及重金属的污染在全球范围内构成重大健康风险，凸显了对高效、低成本水处理技术的迫切需求。AgNPs展现出强效抗菌特性，尤其在纳米尺度下表现显著，但其面临稳定性不足、环境毒性及浸出等问题。将AgNPs负载于源自农业废弃物、林业残余物及其他生物质的活性炭上，可提升其稳定性、分散性及可重复使用性，同时契合绿色化学原则。合成方法涵盖化学还原法与绿色合成路径，可制备均匀、分散良好的纳米颗粒并锚定于多孔碳载体表面，通过银离子释放、活性氧（ROS）生成及细胞膜破坏等机制实现高效微生物灭活。活性炭的多孔结构可促进污染物吸附，使微生物富集于银活性位点附近。实验室研究表明该材料具备快速杀菌及杀病毒效应、高可重复使用性及极低银浸出率。然而，合成放大、长期稳定性及环境安全性仍是待解挑战。未来研究方向包括优化固定化技术、开发环境友好型合成路线，以及将该类纳米复合材料整合至多功能水处理系统中。生物质负载AgNPs有望成为可持续、低成本且高效的水卫生解决方案，尤其适用于资源有限地区，为全球健康与环境可持续性作出贡献。
1. 引言
全球水资源污染形势严峻，埃塞俄比亚等地区清洁饮用水与卫生设施覆盖率仍处于低位，水体中病原体、有机化合物及重金属的扩散导致霍乱、痢疾、肝炎等水传播疾病持续威胁公共健康。银纳米颗粒（AgNPs）因尺寸效应表现出远高于块体银的抗菌活性，但游离态AgNPs存在易团聚、稳定性差及潜在生态毒性等问题。生物质衍生活性炭凭借高比表面积、多孔结构及表面官能团，成为AgNPs的理想载体，既可实现农业废弃物的高值化利用，又符合绿色化学与循环经济理念。二者复合后，活性炭的吸附性能与银的抗菌特性形成协同效应，实验室验证其对细菌、病毒均具备快速灭活能力，且银离子浸出量可控。当前该技术仍面临规模化合成、长期运行稳定性及环境风险评估等瓶颈，本综述旨在系统分析该类材料的制备工艺、固定化方法及消毒效能，为其在真实水处理场景中的应用提供参考。
2. 生物质基活性炭
2.1 生物质资源类型
生物质来源广泛，可分为木质纤维素类（如木材、玉米芯、甘蔗渣、稻壳）、市政固体废物及藻类，其选择取决于可获得性、成本及目标产物的孔隙结构需求。相较于煤基活性炭，生物质基材料碳排放更低，且可通过废物资源化降低生产成本，尽管非生物质源活性炭品质更稳定，但环境效益推动生物质基替代品的研发。
2.2 生物质的工业分析与化学成分
不同生物质的固定碳、挥发分及灰分含量差异显著，直接影响活性炭产率与性能。例如榴莲壳固定碳含量达81.00%，热值较高，是制备高孔隙率活性炭的优质前驱体；稻壳含硅量高，灰分可达14.81%，会影响最终产物的纯度。元素组成中碳含量（41.24%~92.22%）与高位热值（HHV，12.4~22.46 MJ·kg-1）决定热活化过程的能量供给，进而影响AgNPs在载体表面的负载效率。
2.3 生物质衍生活性炭的制备与活化
制备流程包括原料预处理、碳化与活化三步。碳化在惰性气氛下于400~800°C脱除挥发分，形成富碳前驱体；活化分为物理活化（水蒸气或CO2在高温下刻蚀造孔）与化学活化（磷酸、氢氧化钾等试剂预处理后低温碳化），化学活化更易获得高比表面积与发达介孔结构。后续经洗涤、干燥得到稳定产物，其表面羟基、羧基等官能团可增强与AgNPs的相互作用。
2.4 性质与特征
生物质基活性炭的比表面积通常为500~1500 m2·g-1，以微孔为主，兼具少量介孔与大孔，低灰分与可调表面化学性质使其对重金属、有机物及染料均有优异吸附能力。其生产过程能耗低于化石基活性炭，且原料可再生，全生命周期环境负荷更低。
2.5 生物质基活性炭的优势
核心优势体现在三方面：可持续性（利用农业废弃物构建循环经济）、成本效益（原料廉价易得，适合大规模应用）及高性能（可通过活化工艺调控孔隙结构，适配不同消毒场景）。
3. 银纳米颗粒：合成与性质
3.1 合成方法
化学还原法以硝酸银为前驱体，硼氢化钠、柠檬酸钠等为还原剂，工艺简单、产量高，但残留试剂可能带来毒性；物理法（激光烧蚀、溅射）产物纯度高，但设备昂贵、能耗大；生物合成法利用植物提取物、微生物等作为还原剂与稳定剂，过程环境友好、产物生物相容性好，是绿色制备的主流方向；光化学合成通过紫外/可见光诱导还原，可避免化学还原剂的使用，但规模化难度较高。
3.2 尺寸、形貌与表面化学
AgNPs的尺寸（1~100 nm）决定其比表面积与抗菌活性，小尺寸颗粒更易穿透微生物细胞壁；形貌（球形、棒状、立方体等）调控可优化光学与催化性能；表面化学修饰（如聚乙烯吡咯烷酮包覆）能提升分散稳定性，并调控银离子释放速率。三者共同影响其在水处理场景中的效能与安全性。
3.3 AgNPs的抗菌机制
抗菌作用为多途径协同：一是银离子（Ag+）与微生物酶蛋白的巯基结合，导致酶失活与呼吸抑制；二是表面生成ROS造成脂质、蛋白质与DNA氧化损伤；三是直接破坏细胞膜完整性，引发胞内物质泄漏；四是进入细胞后干扰DNA复制与转录，阻断微生物增殖。多重机制降低了微生物产生耐药性的概率。
3.4 稳定性与毒性考量
AgNPs在酸性、高离子强度环境中易发生团聚与银离子突释，负载于活性炭基质后可显著提升其胶体稳定性。其毒性主要源于过量银离子的细胞摄取引发的氧化应激，通过表面功能化修饰可降低生物相容性风险，需在稳定性与毒性之间取得平衡。
4. 生物质衍生活性炭负载AgNPs
4.1 沉积与固定化技术
常用方法包括化学还原沉积（银前驱体吸附于活性炭表面后原位还原）与物理气相沉积（真空下银原子直接沉积）。表面功能化引入氨基、羧基等锚定位点可增强纳米颗粒的固定强度，原位合成法则能保证AgNPs在孔隙内的均匀分布，减少团聚。
4.2 结构与形貌表征
X射线衍射（XRD）可证实AgNPs的晶体结构，扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）显示AgNPs呈球形，均匀分布于活性炭的孔隙与表面，粒径随银负载量增加而增大，过高负载会导致颗粒团聚。
4.3 银负载量与分布的影响因素
活性炭的比表面积、孔隙结构及表面含氧官能团数量是决定银负载量的核心因素，椰壳炭因孔隙发达、官能团丰富，银负载效率可达85%~92%，高于稻壳炭的70%~80%。合成参数（pH、温度、前驱体浓度）也显著影响纳米颗粒的分布均匀性。
4.4 消毒效能的控制因素
消毒效率受AgNPs尺寸、负载量、活性炭孔隙结构及水质条件共同影响。中性pH下银离子释放平缓，酸性环境与高浓度腐殖质会加速银浸出或竞争吸附位点，降低消毒效能；接触时间与温度则与消毒效果正相关。
4.5 活性炭与AgNPs的协同效应
活性炭的多孔结构可将微生物吸附至AgNPs活性位点附近，提升局部作用浓度；同时活性炭的导电性可促进电子转移，增强催化氧化效率，二者协同实现“吸附-灭活”一体化功能。
5. 水消毒：原理与方法
5.1 水体中的病原体与污染物
水传播病原体包括细菌（大肠杆菌、沙门氏菌）、病毒（诺如病毒、SARS-CoV-2）、原生动物（隐孢子虫）等，传统消毒方法需针对不同病原体的抗性差异调整工艺参数。
5.2 传统消毒技术
氯消毒成本低、操作简单，但易生成三卤甲烷等消毒副产物；臭氧消毒效率高，但半衰期短、运维复杂；紫外消毒无化学残留，但对浊度敏感。单一技术均存在局限性，常需组合使用。
5.3 纳米材料消毒的优势
纳米材料凭借高比表面积实现低剂量高效消毒，可设计为长效抗菌涂层或过滤介质，减少化学药剂投加，降低环境残留风险，契合可持续发展需求。
6. 生物质衍生活性炭负载AgNPs在水消毒中的应用
6.1 作用机制
除AgNPs本身的抗菌途径外，活性炭的吸附富集作用大幅缩短微生物与活性位点的接触距离，银离子的缓释特性延长了消毒有效期，二者协同实现对细菌、病毒及真菌的持续灭活。
6.2 对各类微生物的杀灭效能
实验证实该类材料对大肠杆菌、霍乱弧菌的灭活率达99.9%以上，接触时间在30 min内即可达标；对包膜病毒（如冠状病毒）可通过破坏刺突蛋白实现结构失活，对无包膜病毒（如诺如病毒）也有显著抑制作用。
6.3 影响消毒效率的因素
活性炭的孔径分布决定对不同尺寸微生物的截留能力，表面官能团影响AgNPs的稳定性；水质中有机物会与微生物竞争银离子，生物膜的存在则会阻碍纳米颗粒与细胞的接触。
6.4 案例研究与实验结果
稻壳基复合材料在低银负载下即可实现30 min内99.9%的大肠杆菌灭活；椰壳基材料在多轮循环使用后仍保持活性，银浸出量低于美国环保署（EPA）规定的0.1 mg·L-1限值；实际水体测试显示其消毒性能优于常规氯消毒，尤其适用于分散式供水系统。
7. 环境与健康影响
7.1 AgNPs的释放与毒性
AgNPs进入水体后可能发生溶解、硫化等转化，释放的Ag+对水生生物具有慢性毒性，人类长期暴露存在细胞遗传毒性风险，需严格控制其环境排放浓度。
7.2 生物质衍生活性炭的环境影响
其生产过程的碳排放远低于化石基活性炭，但热解环节可能产生温室气体，原料采集需避免与粮食作物争地或破坏生物多样性，需开展全生命周期评估以量化净环境效益。
7.3 安全与监管考量
当前饮用水标准对余氯等有明确限值，但对纳米银的监管仍存在空白。世界卫生组织（WHO）尚未制定饮用水中银的限量标准，亟需完善相关法规以保障技术应用的安全性。
8. 挑战与未来展望
现存挑战集中于银浸出控制、材料长期稳定性及规模化生产成本。未来需开发更牢固的固定化技术、绿色低耗的合成工艺，并将该类材料整合至膜过滤、固定床反应器等多功能系统中，同时推进标准化安全评价体系建立，推动其从实验室走向工程应用。
9. 结论
生物质衍生活性炭负载AgNPs是一种集吸附与消毒于一体的可持续水处理技术，具备原料廉价、效能优异、环境风险可控等优势，尤其适配资源有限地区的分散式供水场景。后续研究需聚焦长期运行性能、环境归趋及全生命周期评价，以加速其产业化落地，为全球水安全提供技术支撑。
