由废茶粉制成的温度控制活化碳在去除阳离子和阴离子染料方面表现出优异的吸附性能

《Journal of Water Process Engineering》：Temperature-controlled activated carbon derived from waste tea powder with superior adsorption study for the removal of cationic and anionic dyes

基于废茶粉的一步NaNH?活化制备的高效多孔生物吸附剂对甲基橙和甲基蓝的吸附机制及再生性能研究。摘要：采用废茶粉经碳化后以NaNH?作为活化剂制备纳米功能化活性炭ATC-800，通过XRD、Raman、SEM/TEM及XPS分析表征其缺陷富集的微孔-介孔结构及-NH?、-CaCO?、-C=O官能团。该吸附剂对阴离子染料MB和阳离子染料MeB的最大吸附容量分别为581.39和836.37 mg/g，吸附过程符合伪二阶动力学和Langmuir等温模型，吸附机理包含静电作用、氢键及π-π堆积。再生实验表明吸附剂经三次循环后对两者的吸附效率仍保持81.5%和80.21%。该研究验证了生物质经碳化-活化一步法可高效制备选择性吸附材料，有效解决废水处理与农业废弃物协同的问题。

　　本研究聚焦于从废弃茶叶粉末中开发一种可持续且高孔隙率的活性炭生物吸附剂，以高效去除废水中的亚甲基蓝（Methylene Blue, MeB）和甲基蓝（Methyl Blue, MB）染料。这一创新性材料不仅具备优良的吸附性能，还展现出良好的可重复使用性，为解决水污染问题提供了新的思路。

废弃茶叶作为常见的食品副产品，具有丰富的碳源和天然的化学成分，其潜在的吸附能力尚未被充分挖掘。通过优化碳化和活化工艺，研究人员成功将废弃茶叶粉末转化为一种具有微孔和介孔结构的高吸附性活性炭材料，命名为ATC-800。这种材料的制备过程不仅考虑了其结构特性，还通过引入氨基（–NH?）掺杂，显著提升了其对特定染料的吸附能力。这一研究揭示了利用废弃生物质作为吸附剂来源的可能性，同时也为开发低成本、高效能的环保材料提供了实践依据。

在实际应用中，染料污染是工业废水处理中的一个重要挑战。特别是亚甲基蓝和甲基蓝等染料，因其广泛使用而对环境和人体健康构成威胁。亚甲基蓝是一种阳离子染料，常用于纺织行业，其残留物在废水中难以降解，可能导致严重的生态问题。而甲基蓝则是一种阴离子染料，常用于制药、橡胶等工业领域，其毒性、致突变性和持久性使其成为环境治理的重点对象。因此，研究如何高效去除这些染料具有重要的现实意义。

在本研究中，ATC-800表现出卓越的吸附性能。在优化条件下，其对亚甲基蓝和甲基蓝的吸附容量分别达到了836.37 mg/g和581.39 mg/g，显示出显著的吸附能力。这一性能不仅优于许多传统吸附材料，还证明了ATC-800在处理实际废水中的潜力。此外，通过批次吸附实验，研究人员还发现ATC-800的吸附行为符合伪二级动力学模型和Langmuir等温模型，表明其吸附过程具有单层吸附特征，并且主要由化学吸附主导。

吸附动力学模型的分析揭示了吸附过程的时间依赖性。伪二级动力学模型通常适用于表面反应控制的吸附过程，而Langmuir等温模型则表明吸附过程在单层饱和状态下趋于稳定。这说明ATC-800的吸附机制可能涉及多个因素，包括物理吸附、化学吸附以及表面反应的协同作用。同时，吸附过程的热力学研究表明，该反应是自发且吸热的，进一步支持了其在环境温度下的可行性。

从材料的结构来看，ATC-800的微孔和介孔结构为其吸附性能提供了重要基础。这种结构不仅增加了材料的比表面积，还提供了更多的吸附位点，使得染料分子能够更有效地与材料表面相互作用。此外，材料表面的官能团，如氨基（–NH?）、碳酸钙（–CaCO?）和羰基（–C=O），在吸附过程中起到了关键作用。这些官能团能够通过静电吸引和氢键作用，分别对阳离子和阴离子染料进行选择性吸附。同时，材料中丰富的缺陷结构促进了π-π相互作用，进一步增强了吸附能力。

在实际应用中，吸附剂的可重复使用性是其推广的重要考量因素。本研究通过再生实验发现，ATC-800在三次再生循环后仍能保持81.5%的亚甲基蓝去除率和80.21%的甲基蓝去除率，显示出良好的稳定性。这一特性不仅降低了吸附剂的使用成本，还减少了资源消耗，符合可持续发展的理念。

此外，研究还对比了ATC-800与其他吸附材料的性能。结果显示，ATC-800在吸附容量、吸附速率和可重复使用性等方面均优于许多传统吸附材料。这表明，通过简单的碳化和活化步骤，废弃茶叶粉末可以转化为一种高性能的吸附材料，为环保技术的发展提供了新的方向。

在材料合成过程中，研究人员采用了钠氨基（NaNH?）作为活化剂，通过控制碳化温度来优化材料的结构和性能。钠氨基的引入不仅增强了材料的孔隙率，还通过掺杂作用引入了氨基官能团，从而提高了其对特定染料的吸附能力。这一方法的创新性在于，它能够在不使用复杂化学处理的情况下，通过单一活化步骤实现高性能吸附材料的制备，为大规模应用提供了便利。

研究还探讨了吸附过程中多种因素的影响，包括吸附剂用量、温度和时间。这些参数对吸附效率具有显著影响，但通过优化实验条件，研究人员能够实现高效的染料去除。例如，在特定的吸附剂用量和温度下，ATC-800的吸附性能达到了最佳状态，这为实际应用中的工艺设计提供了参考。

综上所述，本研究通过从废弃茶叶中制备高孔隙率、高吸附性能的活性炭材料，为解决水污染问题提供了一种新的解决方案。该材料不仅具有良好的吸附能力，还展现出优异的可重复使用性，其制备过程简单、成本低廉，符合可持续发展的要求。未来，随着对这类材料的进一步研究和应用，有望在工业废水处理领域发挥更大的作用。