萨希尔·夏尔马 | 里希·坎特
印度旁遮普邦法格瓦拉GNA大学联合与健康科学学院医学实验室科学系，邮编144401
**摘要**
工业染料、药品和重金属迅速加剧了水污染，这对实现可持续发展目标6（SDG 6：清洁水和卫生设施）构成了严重威胁。传统的废水处理方法往往无法提供高选择性、快速检测和实时监测污染物的能力。本文提出了一种集成框架，即结合纳米技术的生物炭与智能传感器，并与人工智能（AI）相结合，作为未来废水可持续处理的解决方案。生物炭（BC）是一种可再生碳材料，具有高表面积、高孔隙率和可调表面化学性质，因其由可再生生物质制成，因此能够有效支撑银、氧化铁和金等工程纳米颗粒。这些纳米-生物炭复合材料表现出增强的敏感性、催化活性和选择性吸附性能。它们可以集成到传感器平台中，不仅用于识别优先污染物，还能实时降解这些污染物。通过将这些智能传感系统与AI算法相结合，可以预测性地建模、优化和控制处理过程，以适应废水处理中的变化条件。这使得废水处理过程能够实现闭环监测和自适应控制。这种协同方法的效果是减少二次污染、降低运营成本，并提高基于生物炭材料的可重复使用性。此外，该策略符合循环经济的理念，因为农业和林业废弃物被转化为更复杂的功能性材料。然而，在标准化、多站点验证和技术经济评估方面仍存在挑战。本综述概述了基于纳米技术的生物炭智能传感器的设计概念、工作原理和前景，以及规模化、监管接受度和现场实施的问题。未来的发展需要可解释的AI和符合监管要求的部署框架。所提出的框架是朝着智能、可持续和全球可扩展的废水处理技术迈出的革命性一步，有助于实现SDG 6的目标。
**引言**
安全、可获取且负担得起的水资源仍然是地球上最紧迫的挑战之一（Rajapakse等人，2023年）。尽管某些地区取得了进展，但世界卫生组织（WHO）的最新监测数据显示，仍有数十亿人缺乏安全管理的饮用水和卫生设施。因此，全球SDG-6的目标未能按时实现——这表明我们需要新的、可扩展的废水处理和监测方法（Rajapakse等人，2023年；Bose等人，2024年；Sahilu，2022年）。传统的废水处理和监测系统——基于集中式处理厂、定期采样和实验室分析——对于许多受监管的污染物仍然有效，但它们正面临三个相互关联的问题（Bandh和Mushtaq，2025年；Mishra等人，2025年）。首先，持久性和新兴污染物（如药品、染料、抗生素和微塑料）在微量浓度下的存在可以逃避传统的去除和检测方法（Zaidi等人，2025年；Kumar等人，2025年；Singh等人，2024年）。其次，常规监测往往缺乏捕捉分配网络和分散排放中污染物动态变化所需的灵敏度和时空覆盖范围（Banerjee等人，2023年；Gholizadeh等人，2016年）。第三，大多数现有处理技术能耗高且化学需求大，难以适应分散式系统（Huang等人，2023年；He等人，2023年）。正是这些缺点的结合推动了新材料和传感技术在当前处理链中的应用（Murtaza等人，2022年）。生物炭（BC）是一种多孔的碳质材料，来源于热解生物质，因其高表面积、可调表面化学性质和低成本原料而成为理想的废水修复平台。然而，原始生物炭的孔隙可及性、表面功能性和导电性可能有限（Ahmad等人，2014年）。因此，最近的研究重点在于工程化生物炭和纳米-生物炭（用纳米级金属/金属氧化物、碳点、石墨烯衍生物等改性的生物炭），以提高吸附、光催化和电分析性能（Lima等人，2025年；Chaubey等人，2024年；Jadhav等人，2025年；Kumar等人，2024年）。纳米颗粒的功能化（例如Ag、Fe2O3、Au、ZnO、TiO2、石墨烯量子点）已被证明可以增加导电性、催化位点和光/电化学转换机制（Nosratabad等人，2024年；Alves等人，2022年）。这些特性既适用于处理（光催化降解、氧化还原介导的去除），也适用于将生物炭制成活性传感电极或换能器（Murtaza等人，2022年；Lall，2025年）。传感器硬件和计算的并行进步为处理与监测之间的闭环提供了新的机会。基于生物炭的电极和生物炭衍生的碳点已被开发成电化学和光学传感平台（Li等人，2023年；Qin等人，2023年；Liu等人，2022年；Sun等人，2023年），其分析性能可与传统碳材料相媲美（Wang等人，2024年）。机器学习（ML）与AI支持的智能传感器的出现使得模式识别、异常检测和污染物行为预测成为可能，这一切都在前所未有的规模上实现（Abba等人，2022年；Mishra和Ahmad，2023年；Zhang等人，2024年）。然而，文献回顾表明，当前研究存在显著差距：几乎所有出版物中，这些纳米材料-生物炭复合材料仅被描述为实验室规模研究中的独立吸附剂和传感器，而同时净化水和监测污染物的技术尚缺乏（Zhou等人，2022年；Ali等人，2021年）。在实际应用中部署纳米-生物炭技术时，需要解决可扩展性、再生效率和材料在现实条件下的稳定性等问题（Li等人，2023年；Wang等人，2024年）。此外，工程纳米颗粒从生物炭材料中渗出可能对环境健康产生不利影响（Zhou等人，2022年；Keller等人，2023年）。除了实际困难外，还需要解决数据治理、透明度和机器学习模型的可解释性问题，以确保AI监测在实践中的监管批准和成功实施（Zhang等人，2024年；Zamfir等人，2025年）。上述差距明确了研究方向，包括基于纳米材料增强型生物炭的传感器开发和机制验证、基于精心策划的传感器数据集的强大AI算法，以及展示这些传感器适应性地处理废水能力的试点研究，从而符合SDG-6的要求（Li等人，2023年；Wang等人，2024年；Spanu等人，2020年）。相比之下，生物炭材料与AI驱动的智能传感技术的结合是实现分散式、经济实惠且精确的废水处理和监测的有希望的解决方案，符合SDG-6的目标。这一方向的关键里程碑需要细致的实验和透明的数据共享（Murtaza等人，2022年；Qin等人，2023年）。
**参考文献**
本研究的相关文献数据通过Scopus数据库使用关键词“nano-biochar hybrids”、“smart sensors”、“artificial intelligence”和“wastewater treatment”检索，并使用RStudio、VOSviewer和Microsoft Excel进行分析，以生成出版物趋势、关键词分布和文献耦合网络（图1）。
**生物炭的结构和物理化学特性**
生物炭是一种多孔的碳质生物质热解产物，具有非常大的比表面积（数百至数千平方米/克）和大量的表面官能团（羟基、羰基、羧基等）（Tan等人，2015年；Haghighi Mood等人，2022年；Ahmad等人，2014年）。以下特性使生物炭成为有前景的电极基底：材料的高表面积和孔隙率有助于目标分析物的吸附；富含氧和氮的生物炭使其成为出色的传感器基底（图5所示）。这些物理化学元素——如大孔-介孔骨架和热解过程中添加的氧结合基团（羧基、羟基、羰基）——增强了目标污染物的亲和力和传感过程中的电子转移（Li等人，2022年）。热解条件可用于调节生物炭的孔隙率（微孔、介孔和大孔），并结合人工智能实现实时监测和决策（Dharmarathne等人，2025年）。这些系统能够进行近乎实时的检测、预测和自适应控制，确保SDG 6的要求与操作要求一致（Shyu等人，2023年，图6所示）。
**系统集成：用于废水处理厂的智能传感器网络**
下一代废水处理厂（WWTPs）将使用集成传感器网络，将纳米增强型生物炭传感器与AI控制相结合。分布式纳米-生物炭电极在标准蓝图中实时系统测量，信息发送到基于云的分析系统。然后通过ML算法解释模式并识别异常，用于实时调整处理过程（Yang等人，2025年）。
**挑战、限制和风险评估**
纳米技术生物炭传感器在废水处理中的智能监测网络集成具有高灵敏度、多功能性和循环经济协同效应（图8所示）。但实验室演示与实际应用之间的差距受到复杂材料、操作、环境和系统问题的限制。这些约束需要通过整体方法进行批判性评估，考虑材料稳定性、机械性能等因素。
**未来前景和实现SDG 6的路线图**
未来十年的水测试和治疗为SDG 6提供了切实可行的途径，通过整合可持续碳平台（生物炭）、纳米级捆绑和自给自足的传感装置以及以信息为中心的AI、自动化选择和可预测的校正。生物炭现已成为基于吸附的修复和电化学传感系统中电极改性的廉价支架。综述显示，生物炭衍生的电极和改性剂在...
**专利**
表9总结了关于生物炭生产、改性和在电化学和生物电化学系统中应用的最重要国际专利。这些专利包括以下类型的技术：生物炭的控制热解和活化、其在废水处理中的应用、微生物燃料电池和传感器制造。这些专利结合了这些技术，展示了工程化生物炭的工业进步，朝着材料之间的接口发展。
**结论**
生物炭工程、纳米技术和AI的融合可以形成下一代废水处理和监测系统的激进范式，符合SDG 6：清洁水和卫生设施的目标。本综述明确指出，生物炭是一种基于可再生生物质的碳平台，具有高表面积、可调孔隙率和丰富的表面功能，可以很容易地与金属纳米颗粒和金属氧化物以及碳纳米材料结合，以生产...
**作者贡献声明**
萨希尔·夏尔马：撰写——原始草稿、资源收集、调查、正式分析、数据管理、概念化。
里希·坎特：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、正式分析、数据管理、概念化。
**知情同意**
不适用，因为本研究未涉及人类参与者或个人数据。
**资金**
本研究未获得任何公共、商业或非营利部门的特定资助。
**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
