将市售竹炭转化为多孔碳：在废水处理中应用吸附与高级氧化技术的协同作用

时间：2026年3月25日

来源：Applied Surface Science

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本研究开发KOH活化的竹炭K-BC-800-2催化剂，通过PMS活化高效降解四环素氢氯化物（HTC），60分钟降解率达93.4%，催化剂具有宽pH适应性、抗阴离子干扰及连续流稳定性，经毒性测试和机理分析（EPR、Raman、DFT）证实为非自由基机制，单线态氧主导，为环保低成本水处理提供新策略。

陕西工业大学化学与环境科学学院催化重点实验室，中国汉中723001

摘要

有机污染物在工业和农业废水中普遍存在，对水生生物和人类健康构成严重威胁。基于过一硫酸盐（PMS）的先进氧化工艺已被提出作为有效的废水处理方法，但仍需要低成本的无金属催化剂。本研究通过KOH活化商用竹炭制备了多孔生物炭K-BC-800-2，使其能够活化过硫酸盐，从而降解持久性抗生素盐酸四环素（HTC）。KOH活化使竹炭的孔隙结构和表面化学性质发生显著变化，生成了具有丰富活性位点和增强电子转移能力的K-BC-800-2催化剂。自由基淬灭、EPR、拉曼光谱和DFT计算表明，该催化剂通过单线态氧（¹O₂）实现非自由基降解，并伴随直接电子转移。该催化剂具有广泛的pH适应性，对常见的共存阴离子Cl⁻、CO₃²⁻、NO₃⁻具有很强的耐受性。实验通过豌豆种子发芽测试和毒性评估软件工具证实，处理后含HTC的废水中的毒性显著降低。此外，连续流动实验（40小时）显示了其稳定性，证明该催化剂适用于不同类型的水体。总体而言，该催化剂在经济和环境方面都具有优势，为设计用于去除有机污染物的无金属PMS活化剂提供了宝贵见解。

引言

工业和农业的迅速发展导致有机污染物排放量增加，对全球生态系统（如水资源）构成威胁[1]。抗生素、染料等有机化合物现在存在于地表水、地下水中，甚至饮用水中，这些物质具有持久性、毒性，并会在生物体内积累，从而破坏水生生态系统[2]。盐酸四环素（HTC）是一种广泛应用于临床医学、畜牧业和水产养殖的广谱抗生素，因其成本低廉且效果显著。然而，HTC几乎不可生物降解，在水中可长期存在，释放抗生素抗性基因，对生态和人类健康构成重大风险。因此，需要高效、环保且经济可行的废水处理技术来去除有机污染物。

传统的废水处理方法（活性污泥法、吸附法和膜过滤法）成本高昂、对温度敏感，且通常无法有效去除难降解的有机化合物[3]、[4]。相比之下，由PMS活化的先进氧化工艺（AOPs）受到了越来越多的关注，因为PMS活化产生的 radical dot

OH和

−自由基具有高氧化还原电位和相对较长的寿命，能够在宽pH范围内非选择性地高效氧化持久性有机物。过渡金属催化剂（铁和CaO）能有效活化PMS，但金属浸出可能导致二次污染。许多现有的PMS活化方法能耗高，可能引起二次污染且后处理复杂[5]。因此，开发高效、环保且经济可行的无金属催化剂对于推进基于PMS的AOPs在环境修复中的应用具有重要意义[6]。

生物炭是一种富含碳的材料，通过生物质的热化学转化制备而成，因其较大的比表面积、发达的孔结构、丰富的表面官能团、低成本和广泛的可用性而受到关注。虽然无金属碳催化剂在PMS活化方面展现出巨大潜力，但仍存在稳定性不足、活性位点形成机制不明确以及合成路线复杂且成本较高的问题[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。竹炭是一种由回收竹材制成的生物炭，产量高、生产成本低且环境兼容性好，广泛用于吸附、堆肥、光催化等应用[12]、[13]、[14]。先前的研究表明，碱性活化（特别是KOH活化）可以有效蚀刻碳骨架，扩大比表面积，引入缺陷和活性位点，从而显著提高生物炭的催化性能[15]。例如，KOH活化的竹炭通过优化孔结构提高了对亚甲蓝的吸附能力。与其他基于碳的无金属催化剂（如杂原子掺杂石墨烯或碳纳米管）相比，竹炭提供了一种可持续、低成本的替代方案。然而，其作为无金属PMS活化剂的潜力尚未得到充分探索。例如，KOH活化的竹炭通过优化孔结构提高了对亚甲蓝的吸附能力，但尚未研究其在降解HTC方面的应用[16]。

本文开发了一种资源高效的方法，将商用竹炭转化为KOH活化的催化剂，并利用多孔碳K-BC-800-2实现HTC的降解。研究目标包括：（1）合成具有更好催化性能的KOH活化多孔碳并表征其物理化学性质；（2）评估K-BC-800-2在各种反应条件下的PMS活化和HTC降解催化活性；（3）研究K-BC-800-2/PMS体系中的HTC降解过程，包括活性氧种类的识别和电子转移途径；（4）研究K-BC-800-2/PMS体系在实际水体中的应用性、可重复使用性和毒性降低效果。该研究为PMS活化提供了低成本的无金属催化剂，为废水处理中高效利用竹资源开辟了新途径。

所需化学品

竹炭购自Yuan Shireen Outdoor Products Co., Ltd.；乙醇（纯度≥99.8%）、罗丹明B（≥99.8%）、叔丁醇（≥99.8%）、L-组氨酸（≥98%）、甲醇（≥97%）、过硫酸钾（≥99%）、氢氧化钾（≥99%）、氯化钠（≥99%）、碳酸钠（≥99%）、磷酸钠（≥99%）、硫酸钠（≥99%）、盐酸四环素（≥99%）、氢氧化钠（≥99%）、5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）（≥99.8%）和2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酮

材料表征

K-BC-800-2的流程图如图1a所示。我们使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了K-BC-800-2的形态，结果如图1b-c所示。图1b中的低倍率SEM图像显示其表面粗糙且具有不同的孔结构；图1c中的高倍率SEM图像显示活化过程中碳材料上出现了许多皱纹[21]。样品具有典型的非晶态结构。图1d-e的TEM分析揭示了其微观结构，K-BC-800-2呈现出片状形态。

结论

在本研究中，通过先用KOH活化商用竹炭，再对其进行PMS活化，制备了K-BC-800-2，这种催化剂增强了孔结构，为PMS活化和HTC降解提供了丰富的活性位点。该催化剂能够在多种水体中降解HTC，在60分钟内实现了93.4%的HTC去除率。其表观一级反应速常数为0.0223 min⁻¹，比未改性的材料高出约143.5%。在pH依赖性测试中，催化活性...

CRediT作者贡献声明

Xinyao Li：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、可视化处理、方法学设计、实验研究。Yi Lu：方法学设计、数据管理。Xiangdong Zhang：方法学设计、实验研究、数据管理。Yang Li：数据验证、实验研究、数据管理。Xingrui Gao：数据验证、实验指导。Yucong Jin：原始稿撰写。Dong Liu：数据验证、实验研究。Hanghang Zhao：数据验证、实验指导、项目管理工作。Xianzhao Shao：撰写 – 审稿与编辑、项目协调、资金申请。