全球多氟和全氟烷基物质污染正由长链化合物向短链化合物转变，后者具有更高的迁移性，对水安全构成日益严重的威胁。尽管新型高效材料的研发已取得显著进展，但其在天然水体中的应用仍面临局限。本研究开发了一种具有应用前景的生物炭技术，用于去除典型短链PFAS——全氟丁烷磺酸。研究结果表明，将花生壳生物炭的热解温度从700°C提高至900°C，可使其对PFBS的吸附容量从2.04 mg/g显著提升至39.03 mg/g。密度泛函理论计算及尿素干扰实验证实，吸附性能的提升主要源于作用机制从静电与疏水相互作用向氢键作用的转变。快速小柱试验显示，在富含溶解性有机质的水体中，HPB900的吸附饱和容量可维持在110,000床体积以上。此外，通过铜绿假单胞菌的生物强化作用，不仅增强了体系对DOM的抗干扰能力，还促进了PFBS的降解，在数月运行中实现了脱氟与矿化。该技术兼具低成本与可持续特性，尤其适用于欠发达地区的水体修复。
图解
图1 . HPB700、HPB800与HPB900的扫描电镜图像，右上角及左下角分别标注其BET比表面积与元素组成（a-c）；扫描电镜测试条件：5.0 kV，9.3 mm，×2.00 k。三者的原子比例（d）、傅里叶变换红外光谱（e）及Zeta电位（f）。
图2 .HPB700、HPB800与HPB900对PFBS的吸附动力学曲线，采用拟一级与拟二级动力学模型拟合（初始PFBS浓度：500 μg/L；吸附剂投加量：0.1 g/L）（a）；三者对PFBS的吸附等温线，采用Langmuir与Freundlich模型拟合（初始PFBS浓度：0.5–75 mg/L；吸附剂投加量：0.4 g/L）（b）。
图3 .HPB700、HPB800与HPB900在不同溶液pH（3−11）下（a）及不同初始PFBS浓度（1–500 μg/L）下（b）对PFBS的去除率；添加尿素导致的PFBS去除率下降百分比（c）。吸附前后HPB900的C 1s（d）与O 1s（e）XPS谱图（初始PFBS浓度：500 μg/L；HPB900投加量：0.4 g/L）。基于DFT计算的两种吸附场景：HPB900–PFBS复合物的优化结构及差分电荷密度图（黄色区域代表电子富集，蓝色区域代表电子缺失）（f）。
图4.采用快速小柱试验评估HPB900在不同溶液中的穿透行为（a）；不同溶液中PFBS的吸附去除率（b）；经去除拉曼与瑞利散射后，模拟污水中NOM（c）与HA（d）对HPB900及HPB900-Pa影响的激发-发射矩阵光谱
图5.推测的Pa及HPB900-Pa体系中PFBS的降解路径（PFBS浓度：500 μg/L；Pa菌液投加量：2 mL/L）（a）；HPB900-Pa去除PFBS的作用机制示意图，包含PFBS优化分子结构、最高占据分子轨道、最低未占分子轨道及静电势分布（b）。
结论
本研究探究了高温热解生物炭结合微生物强化技术在PFBS可持续修复中的效能。结果表明，将热解温度从700°C提高至900°C，可制得富含氢键位点且对PFBS离子静电斥力降低的生物炭，使其对PFBS的吸附容量从2.04 mg/g显著提升至39.03 mg/g，同时计算得到的吸附能高达−2.14 eV。经驯化的Pa菌株在HPB900上的定殖显著缓解了溶解性有机质对吸附的抑制作用，在DOM共存条件下将PFBS去除效率提升了13.46%。此外，与无生物炭的驯化体系相比，HPB900上定殖的Pa菌株展现出更广泛的PFBS代谢多样性，这归因于生物炭通过吸附稀释毒性中间产物产生的解毒效应。密度泛函理论计算表明，显著的LUMO电子云定域于β‑碳原子，促进了亲核攻击；而相邻β‑氟原子的亲电福井函数值较高，进一步支持了该位点为还原脱氟的优选反应位点。这种经济且可持续的方法展现了吸附与生物降解的有效协同，为资源受限地区短链PFAS的修复提供了一种前景广阔的策略。
本文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.172418
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