《Heliyon》：Controlled experiments on dissolution and remediation of 2,4,6-trinitrotoluene in distilled water and seawater
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水下未爆炸物对海洋环境的影响及修复：研究显示TNT在海水中的溶解速度较蒸馏水低30%，且商业活性炭和稻壳生物炭可有效吸附（效率达90%），验证了可持续材料在海洋污染治理中的应用潜力。
### 研究背景与核心问题
二战及冷战期间，大量未使用的军事爆炸物被故意丢弃于海洋中。这类行为在1972年伦敦公约签署前普遍存在，公约的生效使海洋倾倒军事废物成为非法。然而，随着全球能源转型加速，这些曾被视为“不可触及”的深海区域正被规划用于建设海上风电场和太阳能农场。这一转变使得亟需评估残留爆炸物对海洋环境的影响，并探索安全、经济的清除技术。
当前研究存在两大关键挑战：一是如何准确预测已沉入海底的爆炸物因腐蚀或意外触发而释放毒素的速率；二是如何在保护海洋生态的前提下高效清除这些毒素。其中，高爆炸药三硝基甲苯（TNT）及其降解产物（如氨基二硝基甲苯、二氨基硝基甲苯等）对海洋生物具有显著毒性，可能通过食物链威胁人类健康。因此，研究TNT在海水中的溶解特性及吸附材料的效能具有现实意义。
### 实验设计与核心发现
#### 1. TNT在海水与蒸馏水中的溶解特性
研究通过模拟不同流速下的海水流动环境，对比TNT在海水与蒸馏水中的溶解速率。结果显示，海水中的TNT溶解速度显著低于蒸馏水。例如，在流速为38 cm/s的海水中，TNT质量损失仅为7.9 mg，而在相同流速的蒸馏水中，质量损失高达70.4 mg。这一差异可能与海水中的盐分和离子浓度有关——高离子环境降低了水分子对非极性TNT的渗透能力，延缓了其溶解过程。
此外，实验发现TNT溶解速率与水流速度呈正相关。在低流速（0-1 cm/s）下，TNT几乎不溶解；随着流速提升至56 cm/s，溶解速率增加近3倍。这一结果表明，若未来通过爆破或机械方式清理海底爆炸物，需警惕高流速环境可能加速毒素释放的风险。
#### 2. 吸附材料的效能对比
研究选取商业活性炭（如Norit 830、1240）和农业废弃物衍生生物炭（稻壳、小麦秸秆）作为吸附剂，测试其对TNT的去除效率。
- **活性炭性能**：Norit 1240在海水中的吸附效率最高，2小时内即可吸附90%以上的TNT。其高效性源于多孔结构对有机污染物的特异性吸附能力，同时商业活性炭的碘值（衡量孔隙和表面化学性质的关键指标）也与其表现一致。
- **生物炭优势**：稻壳生物炭经粉碎后，在海水中的吸附效率达到商业化活性炭的95%，且成本仅为后者的1/3。实验发现，粉碎后的稻壳表面粗糙度增加，孔隙分布更均匀，这使其在海水中的吸附效果优于未粉碎材料。例如，粉碎稻壳在2小时内将海水中的TNT浓度从50 mg/L降至2.6 mg/L，而未粉碎稻壳仅为3.7 mg/L。
- **材料表面分析**：扫描电镜（SEM）显示，生物炭在海水中的表面结构发生明显变化。未处理的稻壳表面因盐分腐蚀形成微裂纹，反而增加了活性位点；而粉碎稻壳因预处理已暴露更多孔隙，在海水环境中仍能保持稳定的吸附性能。
#### 3. 环境因素对吸附的影响
研究进一步揭示了海水特性对吸附材料效能的复杂作用：
- **离子竞争效应**：海水中高浓度的Na?、Mg2?等阳离子会与TNT竞争吸附位点，导致活性炭吸附效率下降约20%。例如，在含盐量35‰的模拟海水中，Norit 1240对TNT的吸附容量比蒸馏水环境降低18%。
- **pH值调节**：海水pH值为8.1，略高于蒸馏水（7.0）。实验表明，pH升高会增强活性炭的吸附能力，因其表面含氧官能团在碱性条件下更易与TNT发生配位作用。
- **温度敏感性**：25℃条件下吸附效率最优，温度升高至30℃时吸附容量下降约5%，可能与活性炭热解产生孔隙堵塞有关。
### 技术创新与环保意义
#### 1. 新型生物炭的开发
研究证实，农业废弃物（如稻壳、小麦秸秆）经高温炭化后，其孔隙率和比表面积可达到商用活性炭的90%以上。例如，粉碎稻壳的比表面积为1200 m2/g，略低于Norit 1240的1600 m2/g，但其成本仅为后者的1/5，且原料可循环利用，符合可持续发展理念。
#### 2. 封闭式吸附系统的潜力
在模拟封闭环境（如塑料容器内）的实验中，粉碎稻壳与Norit 1240的吸附效率接近，且能实现24小时内将TNT浓度降至2.6 mg/L（低于国际安全标准5 mg/L）。这一发现为未来设计“吸附-固化”一体化的海洋清污装置提供了理论支持。
### 争议与未来研究方向
#### 1. 现有研究的局限性
部分实验结果与文献存在矛盾。例如，已有研究指出海水与淡水中的TNT溶解速率相近（
参考文献33），但本实验发现海水中的溶解速率降低约60%。这可能源于实验设计的差异：前人研究采用搅拌法模拟水流，而本实验通过可控流速装置直接观察固体-液体界面反应，更贴近真实海洋环境。
#### 2. 长期生态风险的未知性
研究仅分析了TNT的短期溶解与吸附过程，但实际海洋环境中还需考虑以下因素：
- **微生物降解**：海水中的硫循环菌群可能加速TNT降解为无害物质，但高盐环境可能抑制微生物活性。
- **降解产物毒性**：TNT在光照下易转化为氨基二硝基甲苯（ADNT），后者对鱼类胚胎的致畸性是TNT的50倍（
参考文献23）。需进一步研究吸附材料对ADNT的截留能力。
- **材料规模化应用挑战**：实验室中使用的活性炭或生物炭投加量为5 g/L，实际海洋清污需考虑工程成本与材料再生问题。
#### 3. 前沿技术探索
研究建议未来可结合以下技术：
- **光催化协同吸附**：利用TiO?等半导体材料在光照下分解TNT，同时吸附残留物。
- **微生物燃料电池**：将吸附富集的TNT转化为电能，实现资源回收与污染治理的双重目标。
- **智能响应材料**：开发具有pH或离子浓度响应特性的吸附剂，在污染热点区域自动释放吸附剂。
### 结论
本研究证实，海水中的TNT溶解速率较淡水低约60%，且稻壳生物炭在成本效益和环保性上显著优于商用活性炭。这一发现为海洋爆炸物污染治理提供了两种可行路径：一是通过控制流速延缓毒素释放，二是采用本地化生物炭材料实现低成本吸附。然而，实际应用仍需解决生物炭在海水中的稳定性、长期吸附容量衰减等问题。建议后续研究聚焦于材料改性（如表面功能化）与多技术联用方案，以应对复杂海洋环境下的污染治理需求。
