铁改性生物炭增强过醋酸活化去除吡虫啉：效率、活性物种与催化机制

为何清除水体中的农用农药至关重要

现代农业依赖强效杀虫剂来保护作物，但这些化学物质的残留可能随径流进入江河湖泊，危害昆虫、鱼类乃至哺乳动物。本研究探索了一种更聪明的方式，用一种由作物废料制成的低成本材料和一种常用消毒剂去除水中的农药吡虫啉，目标是在不引入新污染的前提下提高用水安全性。

将农作物剩余物变成有用的过滤材料

研究人员以油菜秸秆为起始材料，这类农业废弃物常被焚烧或丢弃。他们在缺氧条件下加热秸秆，制得类似炭的材料——生物炭，生物炭本身具有大量微孔。随后在热处理前向秸秆引入铁，制备出富含铁的生物炭，其孔结构更发达且表面带有含铁颗粒。这些变化提升了比表面积并产生了许多可进行化学反应的活性位点，使得这种植物废料转化为可用于净化水体的有用工具。

用温和氧化剂攻击顽固农药

吡虫啉设计为在水中具有较好稳定性，以便长期保护作物，但正因如此，当它进入河流和地下水后也难以去除。研究团队将铁改性生物炭与过醋酸（一种已在食品和医疗场景使用的消毒剂）结合使用。在含吡虫啉的水中，铁生物炭与过醋酸协同产生高反应性的短寿命粒子，这些粒子能够裂解复杂分子。在最佳测试条件下，该组合在一小时内去除超过五分之四的农药，远优于单独使用生物炭或氧化剂的效果。

隐蔽化学过程如何完成净化

为了解微观层面的反应机理，科学家运用了多种先进分析手段。他们表明生物炭表面的铁在与过醋酸接触时在两种价态间不断转换，这种往复变化促进了羟基和含氧自由基等活性片段的生成。这些高能片段攻击农药分子的多个薄弱位点，破坏其环结构和侧链，逐步将其裂解为更小的片段。该过程在较宽的水体酸碱度范围内均能良好运行，意味着在许多实际废水情形下无需精细调控即可发挥作用。

评估残留物的安全性

仅将污染物分解并不够，剩余产物本身是否更安全同样重要。研究团队利用计算模型评估了处理过程中主要降解产物对鱼类、微小甲壳类和藻类的影响预测。大多数子产物被预测为比原始农药危害更小，但少数产物对某些生物仍显示出显著影响。天然水体成分如氯离子、碳酸氢盐和腐殖质等也被考察；其中一些成分通过与活性片段结合减缓了净化速度，但铁生物炭体系整体仍表现良好，且在多次重复使用后仅出现适度活性下降。

对更安全供水的意义

简而言之，研究表明由农场废料与铁制成的材料，配合现有消毒剂，能够迅速削弱水中持久性农化物并大部分将其转化为较低风险的片段。该方法避免了复杂设备，适于温和条件下运行，并实现了大量农业残余物的再利用。尽管仍需进一步工作以全面确认所有副产物的安全性并在真实废水中开展测试，但这项发现指向一种切实可行且相对温和的途径，有助于将农药残留阻隔在河流和饮用水源之外。

引用: He, J., Wang, B., Sun, H. et al. Iron-modified biochar enhanced the activation of peracetic acid for removal of imidacloprid: efficiency, active species and catalytic mechanism. Sci Rep 16, 15947 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46438-5

关键词: 吡虫啉, 生物炭, 过醋酸, 农药去除, 废水处理