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竹林修剪后的枝條、加工剩余的竹屑、被丟棄的竹材邊角料，在很多地方往往被當(dāng)作農(nóng)業(yè)廢棄物處理。如今，這些看似不起眼的廢棄竹材正被賦予新的價值。

近期，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所研究團(tuán)隊把廢棄竹材變廢為寶，開發(fā)出了超低比表面積卻吸附力超強的生物炭。這項研究打破了“吸附強必須表面積大”的常規(guī)認(rèn)知，證明僅調(diào)整材料表面結(jié)構(gòu)，也能高效清除污染物。該研究為農(nóng)業(yè)廢棄物低能耗、高值化利用提供了新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，獲得中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年創(chuàng)新專項等項目資助。

被忽視的廢竹材

我國南方地區(qū)竹資源豐富。竹制品加工、竹林撫育和竹材利用過程中，會產(chǎn)生大量廢棄竹材，包括竹屑、竹片和修剪枝條等。

“這些材料如果得不到有效利用，不僅會造成資源浪費，還可能帶來環(huán)境負(fù)擔(dān)?！背啥颊託饪茖W(xué)研究所副研究員張冬冬說，科研人員同時關(guān)注到水中抗生素污染的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻。部分抗生素通過養(yǎng)殖排放、醫(yī)療廢水等途徑進(jìn)入環(huán)境，可能對生態(tài)系統(tǒng)和公共健康造成潛在影響。

科研人員不禁想到，能否將竹子廢棄物轉(zhuǎn)化為高附加值材料，用它來治理水污染，走出一條更可持續(xù)的環(huán)境保護(hù)新路？

像“魔術(shù)貼”抓住污染物

正是在這樣的背景下，研究人員發(fā)現(xiàn)，生物炭就是其中的重要方向之一。

生物炭通常是通過熱解生物質(zhì)原料獲得的一類碳材料。由于具有一定的孔隙結(jié)構(gòu)和表面活性，它在土壤改良、水體凈化和污染治理等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，在傳統(tǒng)材料科學(xué)認(rèn)知中，生物炭的吸附能力往往與其“比表面積”密切相關(guān)。

一般來說，比表面積越大，材料能夠接觸并吸附污染物的區(qū)域就越多，因此吸附能力也越強。許多高性能吸附材料，往往需要通過復(fù)雜工藝來獲得較大的比表面積。

然而在這項研究中，科研人員以廢棄竹材為原料，開發(fā)了一種新的生物炭制備方法，核心工藝是先通過低溫烘焙把竹子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定下來，形成穩(wěn)定的碳骨架，在這個基礎(chǔ)上，通過溫和堿改性給這個碳骨架上組裝大量的表面官能團(tuán)，利用表面官能團(tuán)去吸附污染物。

張冬冬說：“竹材本身的纖維結(jié)構(gòu)非常適合通過我們團(tuán)隊開發(fā)的‘低溫烘焙+溫和堿改性工藝’，這種結(jié)構(gòu)能很好地轉(zhuǎn)化為我們所需的碳骨架基礎(chǔ)。值得一提的是，我們團(tuán)隊采用的過熱蒸汽技術(shù)，能使制備出的生物炭比常規(guī)方法含有更豐富的含氧官能團(tuán)。這意味著，我們的炭在起點上就具備了更高吸附效率的潛力，讓我們能更專注于‘提升功能’而非‘創(chuàng)造孔隙’?！?/p>

“傳統(tǒng)高性能吸附劑依賴高溫活化造出巨大的比表面積來‘物理吸附’，這非常耗能?！睆埗f，他們的思路不同，“我們更看重材料表面的‘化學(xué)本領(lǐng)’，僅通過增強表面化學(xué)性質(zhì)實現(xiàn)生物炭材料吸附容量的大幅提升。這種材料‘抓住’污染物的方式，可以形象地理解為它不像一個多孔的‘海綿’，而是像一個布滿特定‘抓手’的‘魔術(shù)貼’。這些‘抓手’就是通過表面化學(xué)工程精心構(gòu)筑的官能團(tuán)，它們通過協(xié)同的化學(xué)作用力，將污染物分子緊密地‘鎖’在材料表面?！?/p>

污染治理新前景

實驗結(jié)果顯示，這種由廢棄竹材制備而成的生物炭，在吸附效率方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能，其單位比表面積的吸附效率遠(yuǎn)超石墨烯氧化物等高級材料。

“將廢竹轉(zhuǎn)化為吸附劑，其核心意義在于將廢棄物處理和水污染通過一個低能耗的解決方案聯(lián)系起來。它不僅提供了一種具體的治污工具，更重要的是展示了一種可持續(xù)材料設(shè)計的全新思路。對于大量存在的竹子廢棄物，秸稈廢棄物和園林廢棄物的資源化利用是個潛在的解決方案?！睆埗f，廢棄物被用來制作成環(huán)保材料，土壤和水體都將更加干凈。這不僅是技術(shù)的進(jìn)步，更是一種發(fā)展理念的革新，讓人們看到環(huán)境保護(hù)與資源循環(huán)利用相結(jié)合的美好前景。

研究團(tuán)隊表示，未來還將進(jìn)一步探索這種材料在不同污染物處理中的應(yīng)用潛力，并推動相關(guān)技術(shù)向?qū)嶋H環(huán)境治理場景轉(zhuǎn)化。