利用Vachellia nilotica植物通过绿色合成方法制备碳纳米球，用于去除pendimethalin（一种农药）

《Frontiers in Environmental Science》：Green synthesis of carbon nanospheres from Vachellia nilotica for pendimethalin removal

农药去除;微波合成碳纳米球;吸附动力学;离子强度效应;再生能力;表面功能基团;可持续水处理|

　　本研究探讨了一种利用微波辅助快速合成碳纳米球（CNSs）的方法，用于去除水体中的农药 Pendimethalin（PND）。PND 是一种持久性二硝基苯胺类除草剂，因其高稳定性、生物蓄积性和毒性，对生态环境和人类健康构成了重大威胁。目前，针对水体中 PND 的去除技术多种多样，包括凝聚、生物降解、光化学降解、化学氧化和生物吸附等。然而，由于 PND 在土壤中难以脱附，且其复杂的化学结构使其在环境中具有较高的持久性，因此，研究高效的去除方法尤为重要。

在本研究中，科学家们选择了一种基于生物炭的材料，即从 Vachellia nilotica（又称 Acacia nilotica）木材中制备的生物炭（VNBC），并通过微波辅助技术合成 CNSs。这种方法不仅显著缩短了合成时间，还减少了对环境的负担，符合绿色化学的原则。此外，CNSs 具有较高的吸附能力，这得益于其独特的结构特性，如高比表面积、多孔结构以及丰富的氧官能团。这些特性使其在去除 PND 方面表现出卓越的性能。

实验结果显示，CNSs 在特定条件下对 PND 的去除效率高达 95.8%，吸附容量达到 76.95 mg/g。这些数据表明，CNSs 在去除 PND 方面具有较高的效率。进一步的分析表明，CNSs 的吸附机制是多种因素共同作用的结果，包括物理吸附、内扩散以及化学吸附。通过比较不同模型，研究发现伪一阶动力学模型和 Temkin 吸附等温线模型与实验数据吻合较好，说明吸附过程主要受物理吸附控制，但同时也存在化学吸附的成分。这表明 CNSs 的吸附机制是复杂的，可能是多机制共同作用的结果。

研究还探讨了 CNSs 在不同环境条件下的表现，包括初始浓度、接触时间、吸附剂量和 pH 值。结果显示，随着初始浓度的增加，去除效率略有下降，但吸附容量持续上升。这可能是因为在较高浓度下，吸附位点趋于饱和，而吸附容量的增加则反映了 CNSs 对 PND 的高吸附能力。接触时间的延长有助于去除效率的提升，但达到一定时间后趋于稳定，说明吸附过程基本完成。吸附剂量的增加在一定程度上提高了去除效率，但过高的剂量会导致吸附效率下降，这可能是由于颗粒之间的聚集影响了吸附效率。

此外，研究还考察了 CNSs 在不同 pH 值下的表现。实验发现，pH 值在 10 时，CNSs 的去除效率达到峰值，而 pH 值在 2 至 12 范围内均表现出良好的去除性能。这一结果表明，CNSs 具有广泛的适用性，能够在多种 pH 条件下有效去除 PND。然而，研究也指出，在实际应用中，可能需要考虑 pH 调节的成本和可行性，因此在接近中性 pH 条件下使用 CNSs 会更加经济高效。

为了评估 CNSs 在实际水体中的应用潜力，研究还考察了离子强度和再生能力。结果表明，多价离子的存在显著提高了 CNSs 的去除效率，这可能是由于离子桥接作用和表面异质性增强所致。此外，CNSs 在五次再生循环后仍能保持较高的吸附效率（超过 80%），显示出良好的可重复使用性和稳定性。这一特性对于实际应用非常重要，因为它意味着 CNSs 可以在多个循环中重复使用，从而降低长期运行成本。

成本分析进一步支持了 CNSs 在实际水处理系统中的应用前景。研究计算了在实验室规模下生产 1 kg CNSs 的成本，约为 455 印度卢比/克（约 5.45 美元/克）。尽管这一成本较高，但研究指出，在大规模生产和循环利用的情况下，成本可以显著降低。此外，CNSs 的合成过程不需要有毒试剂或高温条件，这有助于减少对环境的影响，使其成为一种环保的吸附材料。

总的来说，本研究成功地利用 VNBC 合成了 CNSs，并通过实验验证了其在去除 PND 方面的高效性。CNSs 的合成过程快速、环保，并且其结构和表面特性使其在吸附性能上优于传统的吸附材料。此外，CNSs 在多种环境条件下均表现出良好的去除性能，具有较高的再生能力和成本效益。这些发现为 CNSs 在污染水体中去除农药提供了重要的理论依据和实践指导，同时也为开发新型、高效、环保的吸附材料提供了参考。未来，可以进一步研究 CNSs 在去除其他有机污染物方面的应用潜力，以及其在不同水体条件下的适应性。