从废弃蘑菇基质中制备的生物炭可有效去除水溶液中的阿特拉津

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Biochar derived from spent mushroom substrate for efficient atrazine removal in aqueous solution

　　去除 atrazine 的生物炭制备及其吸附机制研究。采用三种蘑菇废料通过800℃热解制备生物炭，酸处理显著提升其孔隙结构和有机碳含量，APBC对ATZ去除率达98.2%。吸附机制包括孔隙填充（2.2-42.4%）、疏水 partitioning（2.2-47.2%）、π-π电子供体-受体相互作用（15.6-49.8%）和氢键（0.9-35.0%）。热力学分析表明过程自发熵驱动，环境安全且可重复使用。

　　在现代环境中，农药残留问题日益严重，其中除草剂阿特拉津（ATZ）因其广泛使用和在环境中的持久性，成为亟需解决的污染源之一。阿特拉津具有稳定的三嗪环结构，使其在环境中难以降解，因此广泛分布于生态系统中。由于其良好的水溶性和对土壤有机碳的亲和力，阿特拉津在环境中的迁移性较强，导致其在土壤、地表水和地下水中的残留浓度远高于国际监管标准，对生态环境和人类健康构成重大威胁。针对这一问题，本研究旨在利用废弃蘑菇基质（SMS）制备一种高效的吸附材料，通过高温碳化和酸处理，以提升其对阿特拉津的吸附能力。

废弃蘑菇基质是一种在农业和林业活动中产生的大量有机废弃物，通常包含丰富的木质纤维素成分。这些基质由于其自然结构，能够形成具有高芳香性和多孔性的生物炭（BC），从而有效吸附阿特拉津。本研究选择了三种不同类型的蘑菇基质——平菇、高羊肚菌和香菇，分别进行高温碳化处理，并在碳化后进行酸处理，以优化其吸附性能。通过系统的表征分析，研究团队发现不同来源的基质以及酸处理显著影响了生物炭的物理化学特性，包括比表面积、孔隙结构和芳香性等。酸处理不仅提升了比表面积和孔隙率，还增强了生物炭的芳香性和疏水性，同时降低了其亲水性成分的含量，如无机灰分。

实验结果显示，经过酸处理的生物炭对阿特拉津的吸附效率显著提高，去除率分别达到了98.2%（APBC）、38.4%（AOBC）和27.1%（ALBC），远高于未经处理的生物炭（17.4%、10.9%、7.6%）。这表明酸处理是一种有效的手段，能够显著提升生物炭对污染物的吸附能力。此外，研究还分析了吸附动力学和等温吸附曲线，发现吸附过程涉及多种机制，包括孔隙填充、疏水性分配、π-π电子供体-受体相互作用以及氢键形成。这些机制在不同类型的生物炭中表现出不同的贡献比例，其中APBC表现出最强的吸附能力，这与其高比表面积和优化的孔隙结构密切相关。

在吸附动力学方面，研究采用第一、第二和Elovich模型对吸附过程进行了拟合分析，发现酸处理后的生物炭吸附过程更符合Elovich模型，说明其吸附行为受多因素影响，包括表面化学特性和孔隙结构的改变。等温吸附曲线则表明，阿特拉津的吸附不仅限于单一机制，而是涉及多种机制的协同作用，尤其是酸处理后的生物炭表现出更高的吸附能力。这些发现进一步支持了酸处理对生物炭吸附性能的显著提升。

在热力学研究中，分析了吸附过程的自由能变化（ΔG）、焓变（ΔH）和熵变（ΔS）。结果表明，阿特拉津在生物炭上的吸附是一个自发、吸热和熵增的过程，意味着在高温和酸性条件下，吸附能力更强。这与酸处理后生物炭的高疏水性和芳香性特征相一致，表明其在环境条件下的吸附性能具有高度的适应性。

此外，研究还探讨了不同环境参数对阿特拉津吸附性能的影响，包括pH值、无机盐和腐殖酸（HA）等。结果表明，在实验条件下，pH值对吸附能力的影响较小，而无机盐和HA对吸附性能没有显著影响。这可能是因为所使用的浓度范围不足以显著改变生物炭的吸附特性。这些发现为实际应用提供了重要参考，即在实际环境中，生物炭的吸附性能可能受到多种因素的影响，但其总体表现依然优异。

研究还评估了酸处理生物炭在不同批次生产中的稳定性和重复使用性能。通过进行多次吸附实验，发现APBC在不同批次中表现出高度的一致性，即使在低浓度下也能实现超过99%的去除率，且在五次循环后仍保持72.6%的去除效率，说明其具有良好的耐用性和重复使用潜力。吸附后的生物炭表征进一步验证了阿特拉津的有效吸附，包括表面形态的变化、元素分布的改变以及孔隙结构的调整，均表明阿特拉津已被成功吸附至生物炭内部。

为了评估其环境安全性，研究还进行了泄漏测试，发现酸处理后的生物炭在中性水环境中释放的离子浓度极低，远低于0.5 mg/L，且其对有机碳的去除效果显著，进一步证明其在环境中的应用价值。这些结果不仅表明了酸处理生物炭在阿特拉津去除方面的高效性，也为其在实际环境治理中的应用提供了科学依据。

本研究的成果不仅为农业废弃物的再利用提供了新的思路，也为解决农药污染问题提供了可行的解决方案。通过将废弃蘑菇基质转化为高吸附性能的生物炭，可以实现资源的循环利用，同时减少环境污染。此外，研究还揭示了生物炭吸附机制的多样性，为未来优化吸附材料性能提供了理论支持。这些发现对于推动可持续发展、提高资源利用效率以及保护生态环境具有重要意义。