基于扁桃壳生物炭的TiO2-生物炭纳米复合材料增强罗丹明B吸附性能及多功能特性研究

本刊推荐：本研究通过构建多壁碳纳米管/二氧化钛（MWCNT/TiO2）改性生物炭复合材料（CBTM），系统评估其对阳离子染料罗丹明B（RhB）的吸附性能。结果表明CBTM在pH=3条件下呈现31.43 mg·g?1的高吸附容量，吸附过程符合Freundlich等温线（多层吸附）和准一级动力学模型（物理吸附主导）。该材料兼具抗氧化和抗菌特性，为多功能废水处理材料开发提供了新策略。

　　

材料制备与表征方法

研究采用扁桃（Prunus dulcis）坚果壳为原料，在450°C限氧条件下热解制备原始生物炭（CCB），随后通过溶胶-凝胶法将多壁碳纳米管（MWCNT）和二氧化钛（TiO₂）负载到生物炭表面形成纳米复合材料（CBTM）。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，CCB表面呈现光滑孔道结构，而CBTM则显示出MWCNT的管状纤维结构交织在生物炭表面。吸附罗丹明B后，两种材料表面均出现明显聚集现象。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示，CBTM在489 cm^?1处出现Ti-O-Ti晶格振动特征峰，1637 cm^?1处为Ti-OH伸缩振动峰，证实TiO₂成功负载。X射线衍射（XRD）图谱中CBTM在25.7°处出现MWCNT的（002）晶面衍射峰，并在38.4°、48.4°、54.4°等处呈现锐钛矿型TiO₂特征衍射峰。热重分析（TGA）表明CBTM残渣量（40%）显著高于CCB（18%），归因于TiO₂的难燃特性。

吸附性能优化研究

溶液pH值显著影响吸附效率，当pH=3时CBTM对RhB的吸附容量达到33 mg·g^?1（CCB为17.5 mg·g^?1）。这种现象与材料表面电荷特性密切相关：CBTM和CCB的零电荷点（pH_PZC）分别为5.01和5.68，在pH<3时材料表面带正电，有利于吸附阴离子型RhB单体。随着pH升高，RhB逐渐形成两性离子和二聚体，产生空间位阻效应导致吸附效率下降。

吸附剂用量实验表明，当CBTM投加量从0.01 g增至0.06 g时，RhB去除率从15%提升至45%。动力学研究表明，180分钟可达吸附平衡，准一级动力学模型（SSR值最低）最能描述吸附过程，表明以物理吸附为主。颗粒内扩散模型显示吸附过程受多步骤控制，包括膜扩散和孔扩散共同作用。

吸附机制与热力学

等温线研究显示Freundlich模型（n>1）最符合实验数据，表明RhB在异质表面发生多层吸附。Langmuir模型计算得出313 K时CBTM最大吸附容量为31.43 mg·g^?1，较CCB（17.32 mg·g^?1）提升81.5%。温度升高促进吸附容量提升，说明过程为吸热反应。

热力学参数计算显示ΔG°为负值（-5.12至-8.67 kJ·mol^?1），证实吸附的自发性；ΔH°为正值（15.2-28.7 kJ·mol^?1）进一步验证吸热特性；ΔS°正值（0.08-0.12 kJ·mol^?1·K^?1）表明固液界面混乱度增加。吸附机制包含静电作用、π-π堆叠、氢键作用和孔隙填充等多重效应。

再生与多功能特性

采用100%乙醇为脱附剂，经过5次吸附-脱附循环后，CBTM仍保持67%的初始吸附容量，显示良好再生能力。抗菌实验发现CCB对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制圈直径（14.2 mm）显著大于CBTM（7.5 mm），表明原始生物炭具有更强抗菌活性，这归因于其表面丰富的羟基和羧基可破坏细菌细胞膜。

DPPH自由基清除实验显示，在400 μg·mL^?1浓度下CBTM的抗氧化活性（28.5%）优于CCB（19.8%），但低于抗坏血酸标准品（92.3%）。这种多功能特性使材料在废水处理中兼具污染物去除和微生物控制能力。

应用前景与创新性

本研究创新性地将MWCNT/TiO₂与生物炭复合，既提高了染料吸附能力，又保留了生物材料的抗菌特性。相较于传统活性炭，该材料原料来源广泛、成本低廉，且通过金属氧化物改性增强了机械稳定性，适用于工业废水处理环境。其多层吸附机制和自发吸热特性为设计高效吸附剂提供了理论依据，而抗氧化-抗菌双功能特性拓展了生物炭材料在环境修复领域的应用维度。

未来研究可进一步优化纳米材料负载工艺，探究实际废水体系中的竞争吸附效应，并开发连续流反应器装置推进实际工程应用。该材料在染料废水深度处理与资源回用领域具有显著应用潜力。