多孔活性炭微球的尺寸与结构调控及其对染料吸附性能的优化研究

《Desalination and Water Treatment》：Design of Porous Activated Carbon Beads: Controlling Size and Structure for Optimal Dye Adsorption

本研究针对工业废水中有毒且难降解的亚甲基蓝（MB）染料污染问题，系统探讨了通过液滴挤出法制备的聚苯胺（PANI）基多孔活性炭微球（ACBs）的尺寸调控及其吸附性能。结果表明，较小尺寸的ACBs（比表面积450 m2/g）在3 g投加量下对15 mg/L MB的3小时去除率高达96%，吸附过程符合Langmuir模型（R2=0.9941，qmax=10.81 mg/g），并以物理吸附为主。该研究为设计高效吸附剂提供了重要理论依据和技术路径。

　　

在现代工业的快速发展中，纺织、造纸和制药等行业排放的废水含有大量合成染料，这些染料不仅色泽持久，更难被自然降解，对水生态系统和人类健康构成了严重威胁。其中，亚甲基蓝（Methylene Blue, MB）作为一种典型的阳离子染料，虽然在各行业应用广泛，但其进入水体后会阻碍阳光透射，影响水生植物的光合作用，进而破坏整个水生食物链的稳定。更令人担忧的是，MB具有化学稳定性和低生物降解性，能够长期存在于环境中，高浓度暴露还可能引起人体皮肤刺激、眼部不适甚至血液疾病。因此，开发高效、经济且环境友好的染料去除技术已成为当前水污染治理领域的迫切需求。

在众多废水处理技术中，吸附法因其操作简单、成本较低且效率较高而备受青睐。传统吸附剂如颗粒活性炭（Granular Activated Carbon, GAC）虽具备一定的吸附能力，但也存在吸附速率慢、难以回收再利用以及内部孔隙利用率不高等局限性。尤其值得注意的是，吸附剂的颗粒尺寸和内部孔隙结构对其性能影响显著：尺寸过大可能导致吸附位点无法充分暴露，而孔隙结构不合理则会阻碍污染物分子的扩散与附着。正因如此，近年来研究人员开始将目光投向具有可控形貌的球状吸附材料，希望通过精准调控其尺寸与孔道结构，实现吸附性能的优化。

在此背景下，来自巴格达大学的研究团队在《Desalination and Water Treatment》上发表了一项创新性研究，他们以聚苯胺（PANI）为前驱体，通过液滴挤出结合热解活化的方法，成功制备出不同尺寸的多孔活性炭微球（Activated Carbon Beads, ACBs），并系统探讨了微球尺寸与结构对其吸附MB性能的影响。该研究不仅为染料废水处理提供了新型材料设计思路，也为理解多孔碳材料的“结构-性能”关系提供了重要实验依据。

为开展本研究，作者主要采用了以下关键技术方法：首先通过液滴挤出法，利用不同内径的针头制备出三种尺寸的PANI/NMP前驱体微球；随后经过稳定化、碳化和水蒸气活化三步热处理获得ACBs；采用扫描电子显微镜（SEM）观察微球表面与截面形貌，通过氮气吸附-脱附（BET）测定比表面积与孔径分布，并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析表面化学组成与晶体结构；最后通过批次吸附实验，结合Langmuir、Freundlich和Dubinin–Radushkevich（D–R）等模型对吸附过程进行拟合分析。

3.1. 制备微球的表征

通过SEM观察发现，小尺寸ACBs（直径约1.2 mm）表面较为光滑，内部呈现高度连通的多孔结构；而大尺寸ACBs（直径约2.2 mm）则出现明显裂纹，说明在热解过程中内部传质受阻。BET结果显示，小、中、大三种ACBs的比表面积分别为450、320和240 m2/g，且均具有以介孔为主的层级孔结构，其中小尺寸ACBs的介孔体积最大，有利于染料分子的扩散与吸附。FTIR谱图中在3427 cm?1等处出现的吸收峰表明ACBs表面含有丰富的含氧官能团（如–OH、C=O等），这些基团可通过静电作用或氢键增强对MB的吸附能力。XRD谱图显示ACBs为无定形碳结构。零电荷点（pH_pzc）测定表明ACBs在pH>6.8时表面带负电，更易吸附阳离子染料MB。

3.2. 吸附性能

吸附实验表明，在投加量为3 g、MB初始浓度为15 mg/L的条件下，小尺寸ACBs在3小时内对MB的去除率高达96%，明显优于中（85%）和大尺寸（65%）ACBs。提高吸附剂投加量可进一步促进去除效果，说明可利用的活性位点数量是影响吸附效率的关键因素之一。小尺寸ACBs因具有更高的比表面积和更短的扩散路径，表现出更优的吸附动力学与容量。

3.3. 吸附等温模型

Langmuir模型对实验数据的拟合度最高（R2=0.9941，RMSE=0.0044），说明MB在ACBs表面为单分子层吸附，最大吸附容量（q_max）为10.81 mg/g。Freundlich模型的1/n值介于0.46–0.55之间，表明吸附过程易于进行。D–R模型计算得到的吸附能（E）均低于8 kJ/mol，进一步证实吸附作用以物理吸附为主，包括范德华力及微孔填充机制。

3.4. 吸附动力学模型

动力学数据更符合伪二级模型（R2=0.990），说明化学吸附（如表面官能团参与）对吸附速率有一定控制作用。结合D–R等温线结果，可推断ACBs对MB的吸附是由物理作用主导，辅以部分表面化学反应的综合过程。

综上所述，本研究通过尺寸可控的制备策略，成功开发出具有高比表面积和优良吸附性能的多孔活性炭微球。研究明确显示，减小ACBs的尺寸有助于优化其孔隙结构、提高比表面积，从而显著增强对MB的吸附能力。吸附机制以物理吸附为主，表面化学性质也参与调控吸附动力学。该工作不仅为高效吸附剂的设计提供了重要理论参考，也为工业废水中有机污染物的去除提供了具有应用潜力的新材料。未来，可进一步探索ACBs在实际废水体系中的循环使用性能以及针对其他污染物的吸附普适性，推动其从实验室研究向工程化应用迈进。