制备Fe-N-P共掺杂生物炭，以增强从水溶液中吸附双酚A的能力

《Separation and Purification Technology》：Fabrication of Fe-N-P co-doped biochar for enhanced adsorption of bisphenol a from aqueous solutions

双酚A吸附材料研究：Fe-N-P共掺杂生物炭的合成及其高效去除机制探索。通过FeCl3和APP协同掺杂制备生物炭，优化热解温度（800℃）和掺杂比例（Fe:N:P=1:1:1），获得峰值吸附容量95.2 mg·g?1，再生稳定性达85%以上。吸附机制包括π-π相互作用、氢键和表面络合作用。

　　随着工业化和城市化的快速发展，水体中内分泌干扰物（EDCs）的广泛存在已成为全球环境和公共卫生领域的重要挑战。其中，双酚A（BPA）作为一种典型的内分泌干扰物，因其在塑料制造中的广泛应用而被频繁检测到。BPA的工业排放导致了地表水、地下水和饮用水源的普遍污染，其化学稳定性、持久性和低浓度特性使得传统水处理技术在去除BPA方面效果有限。因此，开发新型、高效、环保的吸附材料成为研究的重点。在这项研究中，研究人员通过协同掺杂方法，利用FeCl?和磷酸铵（APP）作为铁和氮-磷的来源，合成了Fe-N-P三元共掺杂的生物炭材料，并系统评估了热解温度和掺杂比例对材料结构特性和吸附性能的影响。

Fe-N-P三元共掺杂生物炭的合成过程基于对传统生物炭材料性能的深入分析。生物炭作为一种具有多孔结构的碳材料，因其成本低廉、来源广泛而受到关注。然而，未经修饰的生物炭通常表现出较低的吸附能力和较差的分离性能，这在实际废水处理中受到限制。因此，通过元素掺杂和功能化修饰，提升生物炭的吸附性能成为研究的关键。铁掺杂已被证明能够增强生物炭的比表面积（SSA）并引入新的功能性基团，从而提高其对BPA的吸附能力。然而，单一元素掺杂的生物炭在吸附性能上仍存在局限，无法提供足够的活性位点。因此，引入氮和磷作为额外的掺杂元素，成为提升生物炭吸附性能的有效策略。

氮掺杂通过在生物炭晶格中引入π电子，增强了碳骨架与BPA之间的电子供体-受体（EDA）相互作用。磷的引入则通过改变碳材料的电子结构和表面极性，进一步优化了吸附性能。研究发现，通过协同掺杂铁、氮和磷，能够显著提升生物炭的比表面积和活性位点密度，从而增强其对有机污染物的吸附效率。这种多元素共掺杂策略不仅提高了生物炭的吸附性能，还增强了其在实际应用中的稳定性和可重复使用性。

在实验过程中，研究人员选择了桦木作为生物炭的原料，通过热解和掺杂过程制备了Fe-N-P共掺杂生物炭。通过调控热解温度和掺杂比例，研究人员系统评估了材料的结构特性及其对BPA的吸附能力。结果显示，优化后的样品PWFe1NP1–800在800℃下制备，表现出高达95.2 mg·g?1的BPA吸附容量，显著优于未修饰的生物炭和单一或双元素掺杂的变种。吸附动力学和等温线分析表明，BPA的去除过程符合伪二级动力学模型和Langmuir模型，证实了单层化学吸附为主要机制。此外，PWFe1NP1–800还表现出优异的再生稳定性，经过五次连续循环后仍能保持超过85%的吸附效率。

从机理上看，BPA的吸附主要受到多种作用机制的共同影响，包括π-π相互作用、氢键、静电吸引、表面络合以及孔隙填充。这些作用机制共同作用，使得Fe-N-P共掺杂生物炭在吸附BPA方面表现出更高的效率和选择性。此外，该材料的结构特性，如比表面积、孔隙分布和表面化学性质，均得到了显著优化。通过热解过程，FeCl?和APP不仅促进了铁氧化物的形成，还增强了氮和磷的掺杂效果，从而提升了材料的吸附能力。

研究还发现，FeCl?作为铁源，其协同作用能够有效促进生物炭的孔隙发展，提高其比表面积和表面活性。同时，APP作为氮和磷的来源，在热解过程中分解为NH?和H?PO?，这些物质不仅有助于氮的掺杂，还能促进孔隙的形成。此外，APP的引入还能保留含氧官能团，进一步优化吸附性能。这些结果表明，FeCl?和APP的协同使用能够有效提升生物炭的结构特性和吸附能力，为高效去除有机污染物提供了新的思路。

本研究不仅为开发高性能、多功能的生物炭吸附材料提供了理论依据，还为实际水处理应用提供了可行的技术方案。通过优化热解温度和掺杂比例，研究人员能够系统调控生物炭的结构和功能特性，使其在吸附BPA等有机污染物方面表现出更高的效率和稳定性。此外，研究还揭示了Fe-N-P共掺杂生物炭在实际应用中的优势，包括其良好的再生性能和环境兼容性，这为未来在水处理领域的应用奠定了基础。

从应用角度来看，Fe-N-P共掺杂生物炭的开发具有重要的现实意义。随着人们对水体污染问题的关注日益增加，寻找高效、经济、环保的水处理技术成为迫切需求。生物炭作为一种天然碳材料，其制备过程相对简单，且对环境的影响较小。然而，其吸附性能仍需通过元素掺杂和功能化修饰进行优化。本研究通过引入Fe、N和P三种元素，显著提升了生物炭的吸附能力，使其在实际应用中表现出更高的效率和稳定性。

此外，研究还揭示了Fe-N-P共掺杂生物炭在水处理中的潜在优势。例如，该材料不仅能够有效吸附BPA，还能够吸附其他有机污染物，具有广泛的适用性。同时，其良好的再生性能意味着在实际应用中可以重复使用，从而降低处理成本。这些优势使得Fe-N-P共掺杂生物炭成为一种有前景的吸附材料，为解决水体污染问题提供了新的思路和方法。

综上所述，本研究通过Fe-N-P三元共掺杂策略，成功制备了高性能的生物炭吸附材料，显著提升了其对BPA的吸附能力。该材料不仅具有较大的比表面积和丰富的活性位点，还表现出优异的再生稳定性和环境兼容性。这些研究成果为开发高效、经济、环保的水处理技术提供了重要的理论支持和实践指导，具有重要的应用价值。