壳聚糖衍生磁性氮/硒双掺杂多孔碳：高效去除水体有机污染物的绿色吸附剂

本研究针对水体有机污染物治理难题，开发了一种基于壳聚糖衍生的磁性氮/硒双掺杂多孔碳材料（FNSC-900）。通过深共晶溶剂体系与可再生壳聚糖前体的直接热解转化，成功构建了具有高比表面积（331.07 m2/g）和磁分离功能的复合吸附剂。该材料对亚甲基蓝（529.03 mg/g）和四环素（351.43 mg/g）表现出卓越的吸附能力，15分钟内去除率超98%，且经过10次循环仍保持97%以上活性。研究为绿色水处理技术提供了新材料设计策略，兼具高效性、可持续性和操作便捷性。

　　

随着工业化和城市化进程加速，水体中有机污染物的大量排放已成为全球性环境挑战。染料废水来自纺织印染行业，抗生素残留则源于医疗用药和养殖业排放，这两类污染物不仅造成水体感官性状恶化，更可能通过生物富集作用威胁生态系统健康和人类安全。传统水处理方法如混凝沉淀、生物降解等往往难以有效去除这些难降解有机物，特别是低浓度高毒性的抗生素类物质。因此，开发高效、经济且环境友好的吸附材料成为环境工程领域的研究热点。

碳基吸附材料因其高比表面积和可调控的孔结构而备受关注，但传统活性炭存在原料不可再生、制备能耗高等缺点。近年来，生物质衍生碳材料因其可再生性和低碳特性展现出巨大潜力。其中，壳聚糖（chitosan）作为甲壳素脱乙酰化产物，具有丰富的氮含量（约7 wt%）和生物相容性，是制备氮掺杂碳材料的理想前体。此外，杂原子掺杂（如氮、硫、硒）可改变碳材料表面电子分布，增强与污染物的相互作用。特别是硒掺杂，由于其与碳相近的电负性和高极化率，能够有效提升材料对有机污染物的吸附和催化降解性能。

伊朗Semnan大学化学系Ahmad Hosseini-Bandegharaei团队在《Environmental Technology》发表研究，针对现有吸附剂的局限性，开发了一种新型磁性氮/硒双掺杂多孔碳纳米材料（Fe₃O₄/N/SePC-900，简称FNSC-900）。该研究通过将壳聚糖与由胆碱氯化物、尿素、三氯化铁和二氧化硒组成的深共晶溶剂（DES）系统结合，经900°C高温热解一步合成多功能吸附剂。该材料不仅保留了壳聚糖固有的高氮含量特性，还实现了硒元素的均匀掺杂和磁性Fe₃O₄纳米颗粒的原位生成，兼具高吸附性能和便捷的磁分离特性。

研究采用多种关键技术方法：通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）分析材料晶体结构和形貌；利用氮气吸附-脱附等温线（BET）测定比表面积和孔结构；采用振动样品磁强计（VSM）表征磁性性能；通过响应面法（RSM）优化吸附条件；结合动力学和等温线模型研究吸附机制；最后通过吸附-脱附循环实验评估材料再生性能。

材料表征结果显示，FNSC-900具有丰富的介孔结构，比表面积达331.07 m2/g，孔体积为0.2898 cm3/g。XRD图谱证实材料中成功形成了Fe₃O₄和Fe₂O₃晶体相，平均粒径约为9.38 nm。EDX元素 mapping显示碳、氧、氮、硒和铁元素均匀分布在材料中。VSM测试表明材料具有顺磁性，饱和磁化强度为3.7 emu/g，可通过外部磁场实现快速分离。

吸附性能研究表明，在优化条件下（pH 6.98，接触时间13.5 min，吸附剂剂量5.1 mg），FNSC-900对亚甲基蓝的去除率达到98%以上；对四环素的最佳吸附条件为pH 5.9，接触时间14.2 min，吸附剂剂量5.35 mg。动力学研究表明吸附过程符合准二级动力学模型，表明吸附速率受化学吸附机制控制。等温线研究显示Langmuir模型最能描述吸附行为，表明为单分子层吸附，最大吸附容量分别达529.03 mg/g（亚甲基蓝）和351.43 mg/g（四环素）。

热力学参数计算表明，吸附过程为自发的（ΔG°<0）和吸热的（ΔH°>0），熵变值为正（ΔS°>0），说明吸附过程中固液界面混乱度增加。这种熵驱动机制可能与吸附过程中水合分子的释放有关。

再生性能测试显示，经过10次吸附-脱附循环后，FNSC-900对亚甲基蓝和四环素的去除率仍分别保持在97.4%和96.1%以上，证明材料具有优异的稳定性和可重复使用性。使用70%乙醇+0.1 M HCl溶液可有效脱附亚甲基蓝，而0.1 M NaOH+50%乙醇溶液适用于四环素的脱附。

该研究通过巧妙的材料设计，将可再生资源壳聚糖与深共晶溶剂系统结合，成功制备了多功能磁性吸附材料FNSC-900。材料不仅表现出优异的吸附性能，还解决了传统粉末吸附剂分离困难的操作难题，实现了通过简单磁分离即可快速回收再利用。氮/硒双掺杂策略协同增强了材料对有机污染物的亲和力，而磁性组分的存在则大大提升了材料的实用价值。

研究结论强调，FNSC-900作为一种绿色、高效且可回收的吸附剂，为水体中有机污染物的治理提供了新技术方案。其卓越的吸附容量、快速的动力学特性和良好的再生性能，使其在实际水处理应用中具有广阔前景。该工作不仅推动了生物质衍生碳材料在水处理领域的应用发展，也为设计多功能环境修复材料提供了新思路，符合绿色化学和可持续发展理念。未来研究可进一步探索该材料对其它类型污染物的去除能力，以及在实际废水处理中的规模化应用潜力。