中國科研團隊成功開發(fā)出一種以廢棄棉籽殼為原料的氮摻雜生物炭催化劑（N-BC-800），顯著提升臭氧在水處理中的氧化效能。該成果發(fā)表于國際期刊《Biochar》2026年3月26日刊，實驗證明其對驅(qū)蚊劑DEET（N,N-二乙基間酰胺）的去除率達94%，遠超單獨使用臭氧或未改性生物炭的效果，為工業(yè)廢水與市政再生水深度凈化提供了可規(guī)模化應用的綠色催化路徑。

DEET作為全球Zui廣泛使用的合成驅(qū)蟲劑之一，已頻繁檢出于河流、污水處理廠出水及地下水體中。其化學結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，常規(guī)生化處理難以徹底礦化，易在環(huán)境中持久殘留并產(chǎn)生生態(tài)風險。盡管臭氧氧化技術(shù)已在飲用水和再生水處理中商用多年，但其自身選擇性強、反應速率慢、對含氮芳香族化合物（如DEET）的降解效率有限。本研究通過定向調(diào)控生物炭表面化學性質(zhì)，將臭氧轉(zhuǎn)化為更具廣譜攻擊性的活性氧體系，突破了傳統(tǒng)臭氧工藝的瓶頸。

催化劑采用棉籽殼——我國棉花主產(chǎn)區(qū)每年產(chǎn)生的數(shù)千萬噸農(nóng)業(yè)廢棄物——為碳源，尿素為氮源，經(jīng)兩步熱解（預碳化+高溫活化）制得。關(guān)鍵工藝參數(shù)為第二步熱解溫度800℃，故命名為N-BC-800。材料比表面積達1280 m2/g，孔徑集中于2–5 nm微孔區(qū)間，具備高吸附容量與快速傳質(zhì)能力。在模擬真實水體的催化臭氧實驗中，其表觀二級反應速率常數(shù)達2538 M?1 s?1，是單獨臭氧的106倍、普通生物炭+臭氧組合的25倍，證實氮摻雜引發(fā)的協(xié)同催化效應具有數(shù)量級提升。

機理研究表明，性能躍升源于氮原子精準引入碳骨架后產(chǎn)生的雙重作用：一方面，型氮（pyridinic N）增強電子給體能力；另一方面，表面羰基（C=O）作為電子受體形成內(nèi)建電場，二者構(gòu)成高效電子轉(zhuǎn)移通道。密度泛函理論（DFT）計算進一步確認，正是這兩種官能團的空間鄰近與電子耦合，大幅降低了臭氧分子活化能壘，促進超氧自由基（·O??）和羥基自由基（·OH）原位生成，從而驅(qū)動DEET發(fā)生羥基化、脫烷基、脫羧及苯環(huán)開環(huán)等多路徑降解。

該催化劑的應用潛力不局限于DEET。在同等條件下，其對莠去津（atrazine）、酮洛芬（ketoprofen）、布洛芬（ibuprofen）及撲癇酮（primidone）等典型藥物及農(nóng)藥殘留的去除率均提升30%–65%。更關(guān)鍵的是，研究團隊在華北某城市污水處理廠二級出水及長江支流天然河水樣本中開展驗證：即使水體含高濃度腐殖酸、碳酸氫根、氯離子等常見干擾物質(zhì)，N-BC-800仍維持85%以上的DEET去除效率，表明其抗復雜水質(zhì)波動能力突出，具備工程落地基礎。

穩(wěn)定性測試顯示，催化劑經(jīng)連續(xù)5輪120分鐘反應周期后，活性保留率約80%（純水體系）和73%（實際二級出水）。XRD與Raman光譜分析證實，使用前后無新晶相生成，碳骨架缺陷密度變化小于8%，證明其結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)于多數(shù)過渡金屬基催化劑。值得注意的是，該材料為金屬-free設計，避免了鐵、銅、鈷等金屬催化劑常見的溶出風險與后續(xù)重金屬殘留問題，符合歐盟REACH及我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）對出水金屬指標的嚴控要求。

毒性評估進一步佐證其環(huán)境安全性：研究人員鑒定出14種DEET轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，其中7種為低毒中間體，6種為完全無毒終產(chǎn)物。利用費氏弧菌（Vibrio fischeri）進行的生物發(fā)光抑制試驗表明，催化臭氧處理后的水樣殘余生物可利用毒性較單獨臭氧降低約62%，說明該工藝不僅實現(xiàn)污染物去除，更實質(zhì)性削減生態(tài)風險。這一結(jié)果對制藥、農(nóng)藥、印染等高濃度難降解有機廢水排放企業(yè)具有直接參考價值——其末端深度處理環(huán)節(jié)若采用該技術(shù)，有望減少活性炭投加量30%以上，并規(guī)避金屬催化劑再生帶來的危廢處置成本。

從供應鏈角度看，棉籽殼在我國新疆、山東、河北等主產(chǎn)棉區(qū)屬低值農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物，收購價普遍低于300元/噸，遠低于商業(yè)活性炭（8000–15000元/噸）或貴金屬催化劑（數(shù)萬元/公斤）。當前實驗室制備成本估算約1200元/噸，若放大至千噸級產(chǎn)線，預計可壓降至600元/噸以內(nèi)。對于國內(nèi)水處理工程公司及環(huán)保設備制造商而言，該技術(shù)無需改造現(xiàn)有臭氧發(fā)生器與接觸池，僅需增加固定床或流化床催化模塊，兼容性強，交付周期短。值得關(guān)注的是，美國、印度等國近年已將DEET列為新興污染物監(jiān)測清單，歐盟正在修訂《水框架指令》附件，擬將多種個人護理品納入強制管控。掌握此類非金屬催化材料的國產(chǎn)化制備與工程適配能力，將為中國環(huán)保企業(yè)參與東南亞、中東等地新興市場水處理項目提供差異化技術(shù)抓手。

目前該催化劑尚處于中試驗證階段，尚未進入產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)。其規(guī)?；瘧玫年P(guān)鍵制約在于熱解裝備的溫控精度（需±5℃以內(nèi)）與氮源均勻負載工藝的重復性控制。對國內(nèi)生物炭設備廠商而言，這既是升級現(xiàn)有農(nóng)林廢棄物炭化爐控制系統(tǒng)的機會，也是切入工業(yè)水處理高端催化材料賽道的切入點。