通过伽马辐照增强石油吸附能力：一种用于椰壳粉及椰壳衍生活性炭的绿色方法

《Results in Engineering》：Enhancing oil adsorption capacity via gamma irradiation: A green approach for coconut shell powder and coconut shell-derived activated carbon

椰壳基吸附剂经γ辐照改性后对三种油类的吸附性能及机制研究。采用0-40 kGy辐照处理椰壳活性炭（CS-AC）和椰壳粉（CS-P），结合SEM-EDS、BET、FTIR、XRD和TGA分析，发现γ辐照通过表面氧化形成氧含 functional groups，增强表面极性和孔隙渗透性，使CS-AC在40 kGy时对发动机油吸附量达0.94 g/g，较未辐照样品提升210%。吸附动力学表明伪一级模型（R2>0.98）主导，吸附速率常数随油黏度增加而降低。研究表明γ辐照是一种绿色、高效的表面改性方法，显著提升椰壳基材料吸附性能，为油污染治理提供新策略。

　　油污染仍然是对水生和陆地环境的一大威胁，需要高效、低成本且环保的修复策略。这项研究探讨了由椰壳衍生的活性炭（CS-AC）和原始椰壳粉（CS-P）作为可持续的油吸附材料的应用，同时通过伽马辐射对这两种材料的表面特性进行了改性处理，辐射剂量范围从0到40 kGy。研究使用了三种不同粘度的油，即柴油、植物油和发动机油，以评估其吸附性能。通过综合表征技术，包括扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）、BET、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA），研究者对伽马辐射诱导的结构和化学变化进行了深入分析。结果表明，伽马辐射通过形成或增强含氧官能团，增加了材料表面的极性，从而提高了油-吸附剂之间的相互作用。在40 kGy的辐射剂量下，两种材料均表现出最大的油吸附能力，其中CS-AC由于其高度发达的多孔结构和更高的比表面积，吸附性能显著优于CS-P。此外，吸附动力学遵循伪一级模型，表明物理吸附是主导机制，这与BET和FTIR分析结果一致。内部扩散（IPD）分析进一步揭示了CS-AC的两阶段吸附过程，其中初期快速扩散进入孔隙，随后缓慢的表面吸附，而CS-P则主要表现为表面控制的吸附动力学。

伽马辐射是一种简单、绿色且有效的材料改性方法，能够通过非化学试剂和常温条件增强吸附性能。相比传统的化学或热处理方法，伽马辐射不仅避免了有害试剂的使用和废物的产生，还具备可控性，可以通过调节辐射剂量来实现所需的表面氧化和结构改性。这种可控性使得材料的性能可以针对特定的环境应用进行优化。研究选择40 kGy作为上限剂量，旨在最大化表面改性效率，同时保持材料的物理稳定性和避免高剂量可能导致的结构损伤。通过这些改性，材料表面的功能性得到了显著提升，使其在油污染修复和更广泛的污染物去除方面具有潜在的应用价值。

在材料和方法部分，研究中使用的CS-P是通过机械研磨和筛分获得的原始椰壳粉，而CS-AC则从中国上海瑞正化学技术公司购买。为了评估材料的吸附能力，研究者选择了三种不同粘度的油，并通过实验确定了它们的粘度值。在吸附实验中，使用了扫描电子显微镜（SEM）和图像处理软件（ImageJ）进行颗粒大小分析，结果显示CS-P的平均颗粒大小为80.5 ± 32.6 μm，而CS-AC的平均颗粒大小为23.5 ± 6.2 μm。实验采用伽马辐照装置（Izotop，Ob-Servo Ignis-09，匈牙利）对材料进行辐照，剂量范围为10、20、30和40 kGy。此外，通过实验方法确定了材料在不同条件下的吸附能力，包括使用不同时间点的油-吸附剂混合物进行过滤和称重。

为了深入理解伽马辐照对材料表面化学和微观结构的影响，研究者采用了一系列表征技术，包括表面形态分析、元素组成分析和孔隙结构分析。其中，表面形态分析通过SEM-EDS（扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱）进行，以评估辐照后的表面变化。孔隙结构分析则通过BET（比表面积和孔体积）测量进行，以评估材料的吸附性能变化。此外，研究还通过FTIR分析材料中的功能团，通过XRD分析其晶体结构，并通过TGA评估其热稳定性。这些表征手段为理解伽马辐照对材料性能的影响提供了全面的视角。

实验结果显示，伽马辐照显著提高了CS-AC和CS-P的油吸附能力。尽管CS-AC的比表面积和微孔体积在辐照后仅略有变化，但其表面氧化程度增加，导致表面极性增强，从而提高了油-吸附剂之间的相互作用。相比之下，CS-P的比表面积和孔体积变化较小，但其表面氧化程度显著增加，这可能与其丰富的木质素、纤维素和半纤维素等含氧官能团有关。通过这些改性，CS-AC和CS-P在吸附性能上均有所提升，其中CS-AC表现出更高的吸附能力，尤其是在发动机油的吸附中，这可能与其高度发达的孔隙结构和表面化学特性有关。

在吸附动力学分析中，研究者采用伪一级（PFO）、伪二级（PSO）和内部扩散（IPD）模型对CS-AC和CS-P的吸附行为进行了模拟。结果表明，伪一级模型能够很好地拟合实验数据，这表明物理吸附是主要的吸附机制。此外，IPD模型进一步揭示了CS-AC的两阶段吸附过程，其中第一阶段主要由孔隙扩散主导，第二阶段则受到边界层阻力和表面吸附的影响。相比之下，CS-P的吸附过程主要受表面控制，这与其较低的孔隙发展有关。这些结果表明，伽马辐照可以有效地提高椰壳基吸附材料的性能，使其成为油污修复和更广泛环境应用的有希望的候选材料。

研究还讨论了伽马辐照在环境应用中的潜在优势。与臭氧和非热等离子体等其他绿色改性方法相比，伽马辐照具有更深层次的渗透能力和均匀的材料改性。这种方法不需要化学试剂或高温处理，因此在环境友好性和操作简便性方面具有显著优势。此外，伽马辐照在纯油系统中表现出良好的性能，使其在油污处理中具有广阔的应用前景。然而，为了实现更广泛的应用，未来的研究还需要考虑油水系统、温度、pH值和盐度等因素，以更好地模拟实际油污场景。

通过与现有生物基吸附材料的比较，研究者发现伽马辐照的CS-AC和CS-P在吸附能力和动力学性能上均优于许多其他材料。例如，与未经处理的生物质吸附材料相比，伽马辐照的CS-AC在纯油系统中表现出更高的吸附能力，且达到平衡所需的时间更短。这种性能的提升不仅归功于表面氧化和孔隙结构的优化，还与材料的物理吸附机制密切相关。此外，伽马辐照方法在能源效率和成本效益方面也表现出优势，其能耗远低于传统的高温活化方法。

研究还指出，虽然伽马辐照在吸附性能上表现出色，但在实际应用中仍需考虑其可再生性和长期稳定性。例如，高粘度的油可能强烈附着在吸附剂表面，降低有效脱附的效率，而反复的热再生可能引起材料结构的退化或孔隙坍塌，尤其是在CS-P中，由于其相对较低的结构稳定性，这可能使其不适合油污吸附应用。因此，未来的研究应进一步评估这些材料的再生和重复使用能力，以确保其在实际环境中的可持续性和经济可行性。

综上所述，这项研究展示了伽马辐照在提升椰壳基吸附材料油吸附性能方面的潜力。通过非化学试剂和常温处理，这种方法不仅减少了对环境的负面影响，还提供了高度可控的改性手段。这些成果为农业废弃物的增值利用和环境修复材料的开发提供了新的思路，同时符合绿色化学和生物循环绿色（BCG）经济框架的要求。未来的研究可以进一步探索其他类型的油、油水系统以及不同处理条件对材料性能的影响，以实现更全面的应用。