传统的生物炭化学活化工艺严重依赖新鲜试剂，导致成本高昂且环境负担较大；因此，迫切需要低成本且可持续的活化策略。生物质预处理过程中产生的富含有机物的碱性废液是一种极具前景的可再生活化介质。本研究提出一种废液循环利用的新工艺，利用NaOH-尿素预处理废液作为活化剂，通过一步协同活化过程制备高性能玉米秸秆生物炭（W-BCS）。为系统比较，还分别制备了传统两步法活化的生物炭（BCS）和新鲜试剂活化的生物炭（P-BCS）。研究发现，W-BCS形成了高度发达的分级多孔结构，比表面积达1988.20 m²/g，且其表面富含含氧和含氮官能团。吸附测试表明，W-BCS对盐酸四环素的最大吸附容量为1292.71 mg/g，不仅超过BCS（740.54 mg/g），且接近P-BCS（1325.98 mg/g）。动态固定床实验验证了其优异的连续去除性能，在十次热再生循环后仍保持67.3%的吸附容量。结合光谱分析和理论计算，从原子尺度阐明了吸附机制：边缘氮位点（吡啶氮、-NH₂）通过静电相互作用和氢键驱动吸附，同时伴随显著的π-π堆积相互作用。本研究为农业生物质废弃物开发了一种可行的活化策略，实现了预处理废液的资源化利用。
图解
图 1.CS (a)、CCS (b)、BCS (c)、P-BCS (d) 和 W-BCS (e) 样品的 SEM 图像及相应的元素组成（EDS）；CCS、BCS、P-BCS 和 W-BCS 样品的 N₂ 吸附-脱附等温线（f, h, j）及孔径分布曲线（g, i, k）。
图 2.BCS (a)、P-BCS (e) 和 W-BCS (i) 的全谱扫描及元素组成；(b, f, j) 高分辨 C 1s 谱图；(c, g, k) 高分辨 N 1s 谱图；(d, h, l) 高分辨 O 1s 谱图。
图3.BCS (a)、P-BCS (b) 和 W-BCS (c) 的溶液pH对平衡吸附容量（Qₑ）的影响；(d) 共存阳离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）对Qₑ的影响；(e) 10次吸附-解吸循环中四环素的去除率。
图4.四环素吸附后 BCS (a)、P-BCS (e) 和 W-BCS (i) 的全谱扫描及元素组成；(b, f, j) 高分辨 C 1s 谱图；(c, g, k) 高分辨 N 1s 谱图；(d, h, l) 高分辨 O 1s 谱图。
图5.不同生物炭构型及TC分子在范德华面上的静电势（ESP）分布：(a) 原始石墨烯，(b) 吡咯氮（-N5），(c) 吡啶氮（-N6），(d) 氨基（-NH₂），(e) 石墨氮（-NQ），(f) 羟基（-OH），(g) TC分子。(h) 不同生物炭表面构型与TC之间的计算吸附能（Eads）。
结论
综上所述，本研究成功开发了一种绿色可持续的“废液再利用-一步活化”工艺，用于制备高性能玉米秸秆生物炭（W-BCS）。该工艺有效克服了传统生物炭生产中普遍存在的高成本和二次污染问题。与传统的两步法（BCS）以及使用新鲜试剂的一步法（P-BCS）相比，该工艺具有显著的经济和环境优势。这归因于废液中残留的碱、尿素和可溶性有机物形成了富含含氧官能团及边缘氮位点（吡啶氮和-NH₂）的多孔网络结构，使得W-BCS对四环素（TC）的最大吸附容量远高于BCS。此外，W-BCS在固定床系统中表现出优异的动态吸附性能，并具有良好的共存离子抗干扰能力和再生稳定性，验证了其实际工程应用的可行性。通过多维度光谱表征和密度泛函理论（DFT）计算，深入揭示了协同吸附机制：在快速物理孔隙填充之后，吸附过程由W-BCS表面的质子化氨基（-NH₂）作为“静电锚点”驱动；这些锚点将TC分子强力拉向碳平面，从而有效克服初始空间位阻。边缘的吡啶氮（N6）基团通过氢键网络和广泛的π-π堆积相互作用与碳骨架协同作用，将TC分子热力学锚定在碳孔道内。本研究提出了一种基于农业固体废弃物原料的新型废液资源化集成工艺，用于抗生素废水净化和生物炼制废水处理，为生物质资源的绿色可持续利用提供了新思路。
