普拉蒂克·古鲁拉尼（Prateek Gururani）| 庞贾·巴特纳加尔（Pooja Bhatnagar）| 普拉莫德·拉瓦特（Pramod Rawat）| 桑杰夫·基莫蒂（Sanjeev Kimothi）| 纳维恩·钱德拉·乔希（Naveen Chandra Joshi）| 马努·潘特（Manu Pant）| 拉贾·乔希（Raja Joshi）
印度北阿坎德邦德赫拉敦市Graphic Era（被认定为大学）生物技术系，邮编248002
**摘要**
近年来，由于重金属对生态系统和人类健康的持续负面影响，从废水系统中去除重金属已成为全球关注的问题。吸附技术因高效、经济实惠和操作简便等优点而在去除水环境中重金属方面受到了广泛关注。生物炭作为一种含碳材料，因其低成本和环保特性而被广泛用于从水系统中去除重金属。然而，现有许多研究集中在使用生物炭作为吸附剂去除废水中的重金属，但很少有研究关注废弃生物炭的再利用问题，而这是一个关键问题。因为如果未经处理的废弃生物炭被排放到环境中，可能会增加二次污染的风险，从而危害生态系统和人类。因此，本文批判性地回顾了生物炭在去除废水中的最新应用，以及负载金属的生物炭在开发超级电容器或其他储能设备中的潜在电化学应用。该综述还全面讨论了不同生物质原料的特性、生物炭生产方法以及各种物理、化学和生物工程技术。文中还分析了生物炭从水系统中吸附重金属的主要机制，并强调了技术障碍、成本效益分析、市场现状以及生物炭作为吸附剂的未来发展方向和前景。因此，该综述将有助于成功开发高效的基于生物炭的吸附技术，以去除水环境中的重金属。
**引言**
过去几年中，人口快速增长、工业化和城市化导致了诸如水资源短缺和水污染等一系列环境问题（Biswal和Balasubramanian，2022；Fan和Fang，2020）。根据联合国儿童基金会（UNICEF）和世界卫生组织（WHO）的最新统计数据，全球约有21亿人无法获得清洁水源，其中1.6亿人仍然直接从地表水收集饮用水（WHO和UNICEF，2017）。此外，约有23亿人因饮用受污染的水而患病（Wang和Yang，2016）。因此，水污染已成为全球最持久的挑战，市政、农业和工业来源的污染日益严重，对人类健康和生态系统产生了负面影响（Du Plessis，2022）。Jones等人（2021）估计全球每年产生的废水量为359.4×10^9立方米，其中63%（225.6×10^9立方米）被收集，52%（188.1×10^9立方米）得到处理，这意味着48%的废水未经处理就被排放到环境中。据报道，由于人口增长和城市化，到2030年废水量可能增加24%，到2050年可能增加51%（Qadir等人，2020）。废水中常见的污染物包括有机污染物、合成染料、营养物质、病原微生物和重金属（Biswal和Balasubramanian，2023；Wibowo，2025）。在各种污染物中，重金属在水环境中的含量通常较高，因此重金属污染已成为全球性的环境问题（Biswal和Balasubramanian，2023）。重金属是指原子密度大于5克/立方厘米、原子量在63.5至200.6之间的元素（Shrestha等人，2021；Srivastava和Majumder，2008）。常见的有毒重金属包括铝（Al）、锰（Mn）、钴（Co）、钼（Mo）、硒（Se）、砷（As）、锡（Sn）、镍（Ni）、铁（Fe）、铬（Cr）、铅（Pb）、汞（Hg）、金（Au）、镉（Cd）、锌（Zn）、银（Ag）和铜（Cu）（Gunatilake，2015）。许多人为活动和自然过程会导致重金属进入废水和水体，其中最重要的来源包括纺织厂、金属加工厂、造纸厂、制革厂、制药厂和采矿业的工业废水。重金属具有毒性、不可生物降解性，并且在水中高度溶解，可能在食物链中积累，从而对生物造成伤害（Biswal和Balasubramanian，2023）。此外，废水处理的目标也与可持续发展目标（SDGs）6和7一致，即确保所有人都能获得可持续、可靠和清洁的水和能源（Kunwar等人，2024）。因此，为了减轻重金属引起的水污染及其对环境和人类健康的负面影响，人们研究了多种水处理技术，如纳米技术、化学沉淀、膜过滤、絮凝、电化学、混凝和离子交换等，以净化含重金属的废水（Biswal和Balasubramanian，2023）。然而，上述技术存在一些局限性，如高运营成本、高能耗、去除效率低、处理时间长、产生有害污泥以及需要高技术维护（Zamora-Ledezma等人，2021；Pal等人，2021）。因此，近年来，基于吸附的废水修复技术因低成本、高效率、操作简便和适合连续再利用的吸附剂再生等优点而受到全球科学家的关注（Arora等人，2024）。吸附是一种表面方法，通过物理力（物理吸附）或化学键（化学吸附）将水溶性污染物附着在固体材料上。吸附过程由称为吸附剂的固体材料促进（Shrestha等人，2021）。然而，传统的吸附剂如活性炭价格昂贵且效果可能不佳，而其他吸附剂可能在大规模应用中不经济，且生产过程中需要大量化学品和能源，从而增加成本并对环境造成负面影响。因此，寻找低成本、环保且高效的吸附剂至关重要（Pal等人，2021）。近年来，生物炭作为一种高效且环保的材料，已被广泛用于吸附多种污染物，包括重金属。生物炭是通过热化学转化碳质材料和生物质合成的富碳物质（Zhu等人，2021）。不同的生物质原料，如红花籽、竹子、稻草、松木、果皮、木材、锯末等，被广泛用于生产生物炭（Arora等人，2024；Bhatnagar等人，2021）。吸附后，废弃生物炭的管理也非常重要，因为将负载金属的生物炭排放到环境中可能导致二次污染。尽管有许多研究致力于减少水中的重金属，但很少有研究探讨负载金属的生物炭的潜在用途（Fouda-Mbanga等人，2024）。一种有效的再利用策略是将其用于电化学应用，如开发储能设备或超级电容器，这有助于减少化石燃料的过度使用和有害元素的污染（Aziz，2024；Dhakal等人，2022）。然而，据我们所知，关于负载金属的生物炭的电化学潜力的研究仍然有限。
**本文的创新之处**
本文的创新之处在于将生物炭作为低成本吸附剂用于去除废水中的重金属，并随后再利用废弃生物炭进行电化学应用。文章总结了用于生产生物炭的不同生物质原料的特性、生产方法及各种生物炭改性技术。还讨论了生物炭去除重金属所涉及的不同机制，如沉淀、表面络合、静电吸引和离子交换。同时，本文强调了限制生物炭在实际应用中的技术障碍和未来挑战。此外，本文还深入分析了生物炭作为低成本吸附剂的成本效益分析、市场现状和未来前景。
**部分内容摘要**
**用于生产生物炭的不同生物质及其特性**
选择用于生产生物炭的生物质非常重要，因为木质素含量高的生物质能产生更高的炭产量（Godwin等人，2019）。木质纤维素和非木质纤维素生物质均可用于生产生物炭。城市固体废物（MSW）、林业废物和农业废物是主要的木质纤维素生物质来源，而污水污泥、藻类和动物废物则是常见的非木质纤维素生物质来源（Amalina等人，2022）。
**生物炭生产方法**
热化学转化是常用的生物炭生产技术，包括热解、气化、水热碳化和热解等方法（Lin等人，2016；Pang，2019）。
**生物炭工程策略**
尽管生物炭在去除废水中的重金属方面具有优异的吸附潜力，但其效果略低于其他可用吸附剂（如活性炭）（Godwin等人，2019）。例如，在水处理中应用粉末状生物炭的主要挑战是其低密度和小颗粒尺寸，这会使得生物炭从水中分离变得复杂。生物炭分离缓慢可能导致其继续吸收废水中的污染物。
**生物炭去除重金属的机制**
生物炭去除废水中的重金属的主要机制包括离子交换、表面络合、静电相互作用和π-π相互作用（Qiu等人，2022a）。在离子交换过程中，溶液中的正电荷污染物离子与生物炭表面的负电荷基团之间发生物理交换，这一过程主要由库仑力决定（Qiu等人，2021）。因此，理解这一机制对于开发选择性吸附剂至关重要。
**生物炭在废水去除重金属中的应用**
最近对来自各种废弃材料的生物炭去除重金属的文献进行了全面分析，时间跨度为2013年至2023年，共检索到608篇论文，发现近年来相关研究文章的数量呈持续增长趋势（Syarifuddin等人，2024）。现有研究详细评估了工程化和原始生物炭的潜力。
**负载金属的生物炭的电化学潜力**
除了废水处理外，生物炭因其独特性质还具备良好的电化学潜力。例如，在微生物燃料电池（MFC）的开发中，生物炭可用作电极材料，克服了传统电极稳定性差、氧化还原反应速率慢、价格昂贵和功率密度低等问题，这得益于其优异的导电性和表面功能基团（Mishra等人）。
**生物炭生产**
原料的性质（如元素组成和木质纤维素含量）显著影响所生产生物炭的理想特性（如稳定性、碳含量和营养含量）。例如，富含木质素的原料（如木材）产生的生物炭更难降解且更稳定，而富含氮的原料（如粪便）产生的生物炭营养含量较高。木质生物质含有较高的固定碳含量。
**生物炭在废水去除重金属应用中的技术障碍**
尽管生物炭可以被视为一种有前景、高效且可持续的吸附剂，但仍存在一些知识空白需要解决。首先，需要深入了解成本分析、操作效率和长期环境影响，因为如果能够解决这些问题，生物炭将更具竞争力。
**成本分析和市场需求**
吸附技术的经济性和可行性主要受所用吸附剂成本和吸附能力的影响。因此，评估生物炭的生产成本对于评估其适用于废水处理的潜力至关重要。生产成本受原材料成本、成本指数、能耗、每克污染物吸附成本、运输费用、改性和再生成本等因素的影响。
**未来方向和前景**
本文全面研究了生物炭作为高效吸附剂去除废水中的重金属的最新趋势和应用。然而，要充分发挥生物炭在废水处理中的潜力，未来的研究需要解决某些限制，将其优势转化为实际应用。
**结论**
过去几年中，作为一种经济高效且可持续的吸附剂，生物炭在全球范围内引起了科学家们对去除废水中的重金属的极大兴趣。生物炭的吸附性能主要受生物质原料的特性、所采用的生产方法类型、温度、压力和停留时间等各种反应参数以及生物炭活化技术的影响。关于生物炭在重金属吸附方面的特性，作者贡献声明如下：
Prateek Gururani：撰写、审稿与编辑、监督、数据整理、概念构思；
Pooja Bhatnagar：撰写、审稿与编辑、数据整理；
Pramod Rawat：撰写、审稿与编辑；
Sanjeev Kimothi：撰写、审稿与编辑；
Naveen Chandra Joshi：撰写、审稿与编辑、监督；
Manu Pant：撰写、审稿与编辑；
Raja Joshi：撰写初稿。
本文暂无其他补充信息。
**参与同意**：不适用。
**伦理审批**：不适用。
**资金声明**：不适用。
**利益冲突声明**：作者声明无利益冲突。
**致谢**：我们感谢印度德赫拉敦的Graphic Era（被认定为大学）提供的宝贵支持。
