枣椰树叶衍生活性炭强化铜(II)去除：一种可持续水处理吸附剂的性能与机制研究

《Desalination and Water Treatment》：Date Palm Leaf-Derived Activated Carbon for Enhanced Copper (II) Removal from Aqueous Solutions: A Sustainable Adsorbent for Water Treatment Applications

本研究针对水体重金属污染治理需求，开发了以枣椰树叶为前驱体的高性能活性炭(DPL-AC)。通过系统表征和批量吸附实验，发现DPL-AC对Cu(II)的去除率高达97%，最大吸附容量达170.71 mg/g，显著优于商业活性炭。其优异性能归因于丰富的含氧官能团主导的化学吸附机制，为农业废弃物资源化利用和水处理技术创新提供了新途径。

　　

随着工业化的快速发展，重金属污染已成为全球性的环境挑战。其中，铜离子(Cu(II))作为电子、电镀和采矿等行业的重要原料，其过量排放对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。虽然铜是人体必需的微量元素，但过量的铜积累会导致肾功能损害、肝损伤和胃肠道紊乱等健康问题。传统的铜离子处理方法，如离子交换、化学沉淀和膜过滤等，往往存在成本高、能耗大且在低浓度下效率有限等局限性。

在这种背景下，吸附法因其简单、经济且适应性强而备受关注。活性炭作为最常用的吸附剂之一，具有高比表面积和优异的化学稳定性。然而，商业活性炭(CAC)的生产依赖不可再生资源，且价格高昂（高达1700美元/吨），限制了其大规模应用。同时，农业废弃物的处理也成为另一个环境问题。如何将丰富的农业废弃物转化为高价值的材料，实现"以废治废"的循环经济模式，是当前研究的热点。

在这项发表于《Desalination and Water Treatment》的研究中，来自阿尔及利亚比斯克拉大学LARGHYDE实验室的研究团队开发了一种从枣椰树叶中提取的活性炭(DPL-AC)，并系统评估了其对水中Cu(II)的去除性能。研究人员通过化学活化法（NaOH活化，600°C碳化3小时）成功制备出DPL-AC，并采用BET、FTIR、SEM和XRD等技术对其结构特性进行了全面表征。

研究结果显示，DPL-AC在优化条件（pH 5.4，吸附剂剂量2 g/L，接触时间45分钟）下对Cu(II)的去除效率高达97%，远高于CAC的17%。更令人惊讶的是，尽管DPL-AC的比表面积（56.42 m²/g）远低于典型商业活性炭（500-1200 m²/g），但其最大吸附容量达到170.71 mg/g，是CAC（43.99 mg/g）的近4倍。这一反常现象表明，DPL-AC的优异性能主要归功于其表面丰富的含氧官能团（羟基、羧基等），而非物理表面积优势。

通过动力学和等温线模型拟合，研究人员发现Cu(II)在DPL-AC上的吸附更符合伪一级动力学模型和Langmuir等温模型，说明吸附过程以单层化学吸附为主。FTIR分析证实，吸附后DPL-AC表面的特征峰发生明显位移，表明含氧官能团与Cu(II)之间形成了表面络合物。SEM和EDX分析进一步直观展示了DPL-AC在吸附Cu(II)后的表面形貌变化和元素组成变化。

在技术方法方面，本研究主要采用了以下关键技术：首先通过化学活化法（NaOH浸渍后600°C碳化）将枣椰树叶转化为活性炭；利用氮气吸附-脱附（BET）分析材料的比表面积和孔结构；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定表面官能团；通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）观察材料形貌和元素分布；使用X射线衍射（XRD）分析晶体结构；并通过批量吸附实验系统研究pH、接触时间、吸附剂剂量和初始浓度对Cu(II)去除的影响。

3.1. 吸附剂表征

热重分析显示枣椰树叶在200-600°C经历主要的热分解阶段，残炭率约10%。BET结果表明DPL-AC具有典型的IV(a)型等温线，以介孔为主（约90%孔体积），比表面积为56.42 m²/g。FTIR谱图显示DPL-AC含有丰富的含氧官能团（O-H在3447 cm^-1，C=O在1653 cm^-1），这些基团在吸附Cu(II)后发生明显变化，证实了其参与吸附过程。SEM图像显示DPL-AC具有粗糙的多孔结构，而XRD谱图表明材料主要为无定形碳结构。

3.2. 铜离子去除的吸附研究

吸附剂剂量实验表明，DPL-AC在100 mg剂量下达到97%的去除率，显著优于CAC。pH影响研究表明，最佳pH为5.4，此时DPL-AC的去除率达95.09%。值得注意的是，DPL-AC在低于其零电荷点（pH_PZC=8.6）的条件下仍表现出优异性能，说明化学吸附机制占主导。接触时间实验显示，DPL-AC在45分钟内达到吸附平衡，表现出快速动力学特性。初始浓度影响研究表明，DPL-AC在200-1000 mg/L浓度范围内均保持较高吸附容量。

3.3. 铜离子吸附的动力学和等温线建模

动力学研究表明，伪一级模型能更好地描述DPL-AC的吸附过程，表明其以表面吸附为主。颗粒内扩散模型表明吸附过程分为两个阶段：快速的表面吸附和缓慢的颗粒内扩散。等温线研究显示，Langmuir模型对DPL-AC的拟合优度（R²=0.996）高于Freundlich模型，进一步证实了单层化学吸附机制。

3.4. 可重复使用性和再生研究

再生实验表明，DPL-AC经过三次使用后，去除率从94%降至30%。使用0.1 M HCl再生后，吸附容量可部分恢复至39%，表明材料具有一定的再生潜力，但再生效率有待进一步提高。

3.5. 提出的吸附机制

DPL-AC的高效吸附主要归因于其表面丰富的含氧官能团与Cu(II)之间的表面络合作用（化学吸附），而非物理表面积效应。这一机制解释了为什么DPL-AC在比表面积远小于商业活性炭的情况下，仍能表现出优异的吸附性能。

3.6. 经济成本分析

DPL-AC的制备成本显著低于商业活性炭。每公斤DPL-AC仅需0.256-0.272 kg NaOH，按当前市场价格计算，化学试剂成本极低，而商业活性炭价格可达1700美元/吨，显示出DPL-AC的经济优势。

这项研究通过系统实验和理论分析，证实了枣椰树叶衍生活性炭在Cu(II)去除方面的卓越性能。研究最重要的发现是揭示了表面化学性质（特别是含氧官能团）在吸附过程中的主导作用，这一认识对设计高效吸附剂具有重要指导意义。通过将农业废弃物转化为高性能水处理材料，本研究不仅为解决重金属污染问题提供了经济有效的方案，也为实现循环经济和可持续发展目标做出了贡献。未来研究可着重于优化再生工艺、评估实际废水处理效果以及探索其他重金属的去除性能，进一步推动这一技术的实际应用。