你是否想過，每天沖下下水道的廢水里，藏著多少“頑固分子”？抗生素殘留可能催生“超級細菌”，塑料中的雙酚A悄悄干擾人體激素，防水涂層里的PFAS（全氟化合物）“打不爛、煮不化”，連微塑料都跟著水流“周游列國”……這些新型污染物毒性強、難降解，正成為威脅水質安全的“隱形殺手”。怎么高效又環保地清除它們？我國科研團隊在《Frontiers of Environmental Science & Engineering》上發表的一篇綜述，聚焦一種“變廢為寶”的材料——生物炭，為破解這一難題提供了關鍵思路。

污水里的“四大難題”：傳統方法為何“力不從心”？

新型污染物的“頑固”遠超想象。以抗生素為例，它們本是治療疾病的“好幫手”，但未經處理的污水排放后，會在河流、地下水甚至飲用水中積累，不僅可能讓細菌產生耐藥性，還會通過水產品進入人體，擾亂腸道菌群平衡。雙酚A等內分泌干擾物更“狡猾”——它們能模仿人體激素，影響生殖系統發育；PFAS被稱為“永久化學物”，其含氟化學鍵（鍵能高達488 kJ/mol）比普通碳碳鍵強得多，常規處理根本“拆不動”；微塑料則像“小海綿”，會吸附重金屬、農藥等其他污染物，甚至被魚蝦誤食，最終端上人類餐桌。

傳統污水處理技術對這些“新麻煩”效果有限：抗生素容易殘留，PFAS降解后可能生成更毒的短鏈物質，微塑料更是“打不碎、煮不爛”。這時候，一種“變廢為寶”的材料——生物炭，進入了科學家的視野。

生物炭：吸附+催化的“全能清潔工”

生物炭的“身世”很接地氣——它是稻殼、秸稈、污泥等生物質在缺氧環境下高溫“烤”出來的黑色多孔材料，表面布滿微小孔隙，像一塊“自帶吸附力的海綿”。它的“本事”分兩招：一是靠物理吸附，用孔隙“困住”污染物；二是當催化劑，激活過硫酸鹽等氧化劑，產生強氧化性自由基，把污染物“拆成碎片”。

針對不同“頑固分子”，生物炭還有“定制化”策略：

  • 對付抗生素：生物炭的孔隙能像“篩子”一樣攔截抗生素分子，表面的羥基、羰基等基團還能通過氫鍵、π-π相互作用（類似“分子手拉手”）把抗生素“粘”住。更厲害的是，它能激活過硫酸鹽，產生硫酸根自由基，把抗生素徹底分解——實驗中，一種香蕉莖稈制成的生物炭25分鐘就能降解100%的磺胺甲惡唑。
  • 降解內分泌干擾物：氮摻雜改性的生物炭效果最突出。比如用豆渣制成的氮摻雜生物炭，表面的吡咯氮（一種含氮結構）能像“鉤子”勾住雙酚A，再聯合過硫酸鹽產生的自由基攻擊其苯環，120分鐘就能100%去除雙酚A。
  • 吸附PFAS：PFAS的氟碳鍵太穩定，直接降解難，吸附更穩妥。一種含季銨鹽的生物炭能通過靜電吸引和疏水作用，同時吸附99.7%的PFOS（全氟辛烷磺酸）、98.3%的PFOA（全氟辛酸），甚至能重復使用四次。
  • 捕捉微塑料：生物炭的多孔結構和表面電荷像“膠水”，能粘住聚乙烯、尼龍等微塑料。實驗中，一種磁性生物炭處理聚苯乙烯微塑料，吸附容量高達736 mg/g，3分鐘就能去除97%。

從實驗室到實際：還有哪些“卡脖子”問題？

盡管生物炭在實驗室里表現亮眼，但要真正用在污水處理廠，還有幾個“坎”要過。首先是“二次污染”風險——吸附了污染物的生物炭如果處理不當，可能在環境中再次釋放污染物；其次是“成本關”，雖然生物炭原料便宜（如稻殼、污泥），但改性（加氮、金屬等）和回收（如磁性分離）的成本還需優化；最后是“適應性”，實驗室水質單一，實際污水成分復雜（含腐殖酸、重金屬等），可能和污染物“搶位置”，影響吸附效果。

未來：更“聰明”的生物炭，更綠色的治水

論文指出，未來的生物炭研究可以往三個方向發力：一是開發“多功能生物炭”，既能吸附又能降解，還能適應不同pH和水質；二是用人工智能模擬優化生物炭的結構和配方，比如通過分子動力學模擬預測吸附位點，提高效率；三是關注“生命周期評估”，從原料收集到生產、使用、回收，全程減少對環境的負擔。

或許不久的將來，我們能看到這樣的場景：用秸稈、稻殼“變”出的生物炭，在污水處理廠里“大顯身手”，把抗生素、微塑料等“頑固分子”一一解決，讓污水變清，讓生態更安全。

來源: FESE Message