生物炭是由生物质在无氧或者缺氧条件下热处理得到的固体碳质材料,已广泛应用于土壤改良、土壤修复、水污染处理、作物增产、碳固定等领域。生物质热解碳化后形成的生物炭具有较高含量且稳定的碳,可降低由生物质燃烧和自然降解所产生的碳排放（碳负性）。施加到土壤中的生物炭可将碳储存在土壤中,并同时改良和（或）修复土壤。此外,生物质热解过程中产生的生物油和合成气可作为替代化石燃料的能源（碳中和）^{[1, 2]}。制备生物炭的原料来源丰富且价格低,主要包括农业废物（秸秆、果壳、粪便等）、林业废物（枝叶、锯屑、树皮等）和市政废物（生活垃圾、污泥等）,将这些固体废物制备成生物炭可有效实现固体废物资源化利用。此外,将外来入侵植物（水葫芦、空心莲子草等）和富营养化藻类（硅藻、绿藻、蓝藻、甲藻等）作为生物炭的原料,可同时达到危害生物处置和资源化利用目的。生物炭的制备方法简单,一般在中温条件下（300~700°C）经热化学处理便可制得,常用的热化学方法有：慢速热解、快速热解、水热碳化、闪蒸碳化、气化等。生物炭作为一种有效介质,在环境、气候、能源、农业和经济方面能够产生综合效益,引起了全世界科学家、政策制定者和公司企业的广泛关注,并长期处于国内外相关领域的研究热点^{[3, 4]}。

由于生物炭具有上述优势,并拥有多孔结构、丰富表面活性基团、含多种矿物盐等理化特性,故生物炭在去除水体污染物领域具有巨大应用潜力。生物炭用于水体中污染物的去除是生物炭技术在环境领域应用的重要方面,目前国内外已进行了大量研究。湖南大学环境科学与工程学院和环境生物与控制教育部重点实验室（湖南大学）长期从事城市农村废物资源化、河湖污染湿地修复（用废物修复）、清洁生产工艺和方法研究,通过将固体废物作为原材料,研发和制备了一系列功能化生物炭材料,并将其应用于河湖污染湿地水体修复。依托创新研究群体科学基金“湖泊污染湿地修复”（No. 51521006）,课题组开展了大量的相关研究工作,并取得了一系列研究成果,发现功能化生物炭材料对难降解有机物和重金属具有较好去除效果,可作为绿色、高效、低价的环境修复技术。在此基础上于2015年撰写了题为“Application of biochar for the removal of pollutants from aqueous solutions”的综述论文^[3],发表在Chemosphere期刊上,并入选2015年“中国百篇最具影响国际学术论文”。该论文概述了生物炭材料的发展,介绍了生物炭的制备方法、去除水体中污染物的性能、生物炭使用后的处置、污染物去除的机理、潜在环境风险,进一步展望了生物炭在水体中污染物去除领域存在的问题和未来可研究领域。

生物炭常作为吸附材料用于吸附去除水体中的污染物（图1）,包括重金属（46%）、有机污染物（39%）、氮磷（13%）和其他污染物（2%）^[3],重金属和有机污染物是生物炭吸附去除的最主要目标污染物。吸附铵态氮、硝酸盐和磷酸盐的生物炭也可作为一种增加土壤肥力的缓释肥料,促进植物生长,从植物获取的生物质又可作为生物炭的原材料,形成绿色可持续的循环（图1）。生物炭对水体中污染物的吸附能力受到很多因素影响,主要有生物炭的性质、溶液pH值、生物炭用量、共存离子、温度等。其中,生物炭的性质是决定生物炭吸附性能最主要的方面。生物炭的原材料及制备方法和条件对其性质影响较大,这些性质决定了生物炭在水污染处理中的应用效果。由于生物炭理化性质复杂,吸附过程受到多种作用力驱动。研究表明生物炭吸附有机污染物的机理主要包括静电吸引、氢键作用、疏水效应、分配作用、孔隙填充等。对于重金属,可能的吸附机理通常涉及静电吸引、离子交换、表面络合、共沉淀、物理吸附等。

为了进一步提高生物炭去除水体中污染物的性能,特别是对高浓度污水的处理能力、选择性吸附能力、固液分离能力的改善,研究者制备了一系列改性生物炭和生物炭纳米复合材料^{[5, 6]}。常见的改性方法有物理方法（蒸汽活化和气体活化）和化学方法（酸、碱和氧化处理）^[5]。在物理改性中主要采用水蒸气、NH₃、CO₂或多种气体混合物进行改性。在化学改性方法中,常使用酸（HNO₃、HCl、H₃PO₄、H₂SO₄等）、碱（NaOH、KOH、K₂CO₃等）和氧化剂（KMnO₄、H₂O₂等）进行改性。通过改性生物炭可以改善微孔和介孔结构、增加比表面积、增加表面官能团、改变疏水性等,从而提升生物炭对水体中污染物的去除能力。此外,生物炭可以作为纳米材料的基质,通过在生物炭基材上负载不同种类的纳米材料,可以得到一系列生物炭纳米复合材料^[6]。常用的纳米材料有三大类：（1）金属氧（氢氧）化物纳米颗粒（ZnO、MnO_x、AlOOH、MgO、Mg(OH)₂等）;（2）磁性铁氧化物纳米颗粒（γ-Fe₂O₃、CoFe₂O₄、Fe₃O₄等）;（3）功能纳米材料（g-C₃N₄、氧化石墨烯、纳米零价铁、水滑石、碳纳米管等）。合成以生物炭为基质的功能化纳米复合材料能够结合生物炭和纳米材料各自的优势。制备得到的生物炭纳米复合材料在官能团、孔结构、表面活性位点、固液分离能力等方面,相对于原始生物炭都具有大幅度的改善,并能有效减少纳米材料的团聚。生物炭纳米复合材料的合成和应用已经成为扩展生物炭和纳米材料在水污染处理中应用的重要探索。

生物炭作为吸附剂虽然对水体中污染物展现出较好去除效果,但不能从根本上消除污染物,只是将污染物从水体中分离出来。研究发现,生物炭也可作为催化剂实现水体中污染物的高效去除,能将有机污染物矿化,或转变成低毒性和易降解的副产物^[7]。生物质热解制备生物炭的过程中,会形成丰富的含氧官能团、持久性自由基和氧化还原活性基团,这些组分能够将电子转移给溶解氧、H₂O₂和过硫酸盐,形成活性氧自由基和硫酸根自由基;同时生物炭能够作为电子供体、受体和导体,以调节电子转移反应。基于以上特性,生物炭在氧化还原、类Fenton、光催化、高级氧化、声催化等体系中都有大量应用探索,相关内容也是目前关于生物炭研究的热点。在这些催化体系中,除原始生物炭的应用之外,通过将过渡金属（铁、钴、铜等）、杂原子（氮、硼、磷、硫等）、半导体（TiO₂、g-C₃N₄、ZrO₂、CeO₂、BiOX等）负载到生物炭上制备复合材料也进一步提升了生物炭在催化去除水体中污染物的能力。

生物炭材料作为吸附剂和催化剂去除水体中污染物是水污染控制领域的研究热点。生物炭能够同时实现固体废物资源化、水污染处理、固碳等多重效益,是达到水污染处理绿色友好、低价化、高效化的重要材料和技术,相关研究也取得了突破性的进展。然而,在将其实际应用之前,仍存在一些问题和未知领域亟待探索。由于生物炭原材料的种类和组分地区差异较大,制备工艺和条件多变,亟需探究出具有指导意义的有效评价和筛选模式,以实现用于水污染处理的生物炭的原材料和合成方法优选。如何实现对目标污染物和特定应用场景具有最优处理效果的定制化、功能化生物炭的制备也是具有重要意义的课题。不同原材料和制备工艺对生物炭中可能存在的污染物（多环芳烃、二噁英、重金属等）的含量、形态和组成影响较大,大规模应用前需要对生物炭的潜在风险进行评估。同时,用于处理水体中污染物之后的生物炭的处置问题需要进一步的关注和探究。目前大部分相关实验都是在实验室内进行的模拟实验,缺少实际水污染处理的小试和中试探究。此外,生物炭在水污染处理领域的其他前沿热点研究也需进一步探索,如生物炭材料对城市雨水径流中硝酸盐、金属、微量有机污染物等的去除,以实现雨水的资源化再利用;生物炭对水环境中微塑料污染的处理探索;生物炭用于水资源中溢油处理的探索等。