通过液化气制备的象草（Napier草）生物炭用于腐殖酸吸附及DFT分析的挑战与机遇

把草变成水处理的帮手

清洁饮用水不仅依赖于去除病原体，还需要清除在处理过程中可能转化为有害化合物的天然无形物质。本研究探讨了一种创新思路：利用来自泰国常见牧草——象草的碳化产物，来净化一所大学的水库。研究人员将剩余的草茎加热为多孔、高碳含量的材料（生物炭），并测试这种低成本产品是否能吸附水中令人头痛的天然物质，同时在使用氯消毒时减少不良副产物的形成。

为什么天然水中可能隐藏看不见的风险

许多湖泊和河流含有“溶解性有机物”，即进入水体的植物和土壤残留物。这一混合物中一个重要部分是腐殖酸，一种颜色较深、结构复杂的物质，能为水体带来茶色。单独看，腐殖酸不一定是主要的健康威胁。问题在于供水单位加入氯以杀灭微生物时，氯会与腐殖酸及类似化合物发生反应，生成消毒副产物，包括一类称为三卤甲烷的化学物质，其中一些被怀疑可能增加癌症风险。在泰国清迈，一座名为Ang Kaew的水库为当地大学供水，使其成为测试改进处理方法的理想真实场景。

从田间牧草到多孔碳

象草在泰国被广泛种植用作饲料，但其坚硬的茎秆常常未被利用。研究团队将这些农用残余物在一个使用液化石油气并利用草在燃烧过程中释放气体的试验窑中加热至600°C，制备出生物炭。所得材料标记为CNP_600，是一种黑色多孔固体，富含碳。显微成像显示其表面粗糙、海绵状，测量结果证实具有相对较大的内表面积，便于溶解分子附着。化学测试表明生物炭表面带有多种含氧官能团，如酸性和类似醇的位点，这些位点对吸引并结合水中溶解物质很重要。

这种草制炭在净水方面的表现如何

研究人员首先研究了生物炭从测试溶液中吸附腐殖酸的速度和强度。他们发现大部分去除在六小时内完成，且过程符合典型的化学结合模式，而非简单的物理吸附。在考察不同浓度下的吸附量时，结果与通常与粗糙、非均一表面相关的模型相符。随后团队把实验从实验室扩展到取自Ang Kaew水库的真实水样。加入适量生物炭后，溶解性有机碳（DOC）下降约一半，而在紫外波段的光吸收信号——用于追踪易生成副产物的芳香族（环状）分子——下降超过70%。一个综合指标SUVA（紫外吸光度除以DOC）从2.0降至1.2，表明处理后水中这类问题芳香组分明显减少。

窥探不可见的化学机理

为了理解为何象草生物炭偏好吸附腐殖酸，研究团队使用基于量子化学的计算机模拟。他们构建了简化的生物炭表面分子模型，包含关键的含氧官能团，同时建立了一个代表性腐殖酸片段模型。通过计算这些结构上电荷的分布，识别出炭表面氧原子周围的负电区以及某些氢原子周围的正电区。这一模式促使腐殖酸分子靠近并形成氢键——弱但多样的吸引力——在腐殖酸自身富氧位点与炭表面官能团之间建立连接。计算还显示，腐殖酸在炭表面的几种可能排列在能量上是有利的，其中最稳定的构型形成了多个短而强的氢键，将分子固定在表面。

这对更安全、可负担的饮用水意味着什么

总体而言，该研究表明由象草制备的生物炭能显著减少水库水中的天然有机物，尤其是最有可能生成危险消毒副产物的芳香族部分。尽管其吸附能力低于某些先进商业材料，但这种基于农作物残余的炭易于从本地农业废弃物中制备，并且在现有供水系统的常规处理步骤中表现相当。对于那些希望以可负担方式改善饮用水安全的社区，特别是在生物质丰富但资金短缺的地区，这项工作表明精心制备的植物基生物炭可作为水处理工艺中实用且更具气候友好的补充。

引用: Promma, D., Kaewjan, T., Induvesa, P. et al. Challenges and opportunities of Napier grass-derived biochar via liquefied gas for humic acid adsorption and DFT analysis. Sci Rep 16, 13235 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43639-w

关键词: 生物炭, 饮用水, 腐殖酸, 消毒副产物, 象草