碳点合成废水中挥发性有机化合物（VOCs）和重金属的抑制机制

《Process Safety and Environmental Protection》：The inhibition mechanism of VOCs and heavy metals in carbon dots synthesis wastewater

本研究以废木材和橡胶粉末为原料，通过水热碳化法合成碳点（CDs），系统研究溶剂组成、温度及保温时间对CDs性能及副产物废水VOCs和重金属排放的影响，确定最优合成条件以实现材料性能与环境影响的平衡，为固体废物资源化提供理论支撑。

　　碳纳米点（CDs）作为一种环保型纳米材料，已被广泛应用于环境污染物的治理。然而，在其合成过程中，特别是当使用固体废弃物作为原料时，仍然存在一些不容忽视的环境问题。在制备过程中，大量的挥发性有机化合物（VOCs）和重金属被释放，这可能对生态环境构成潜在威胁。此外，合成过程中产生的CDs与污染物排放之间的抑制机制，在不同反应条件下仍不清晰。本研究通过废木材片和橡胶粉的水热碳化方法合成CDs，并系统地研究了关键制备参数，包括溶剂组成、温度和反应时间，对CDs性能及反应废水中的VOCs和重金属排放抑制效果的影响。我们确定了能够同时提升CDs性能并减少污染释放的最优合成条件。具体而言，在280摄氏度、反应时间4小时的复合溶剂系统下，CDs表现出最高的荧光量子产率、ζ电位和污染物抑制效果；而在反应时间6小时时，CDs则获得了最高的荧光强度和产率。通过这种“性能-环境影响”的双评估框架，我们阐明了在不同合成条件下，产品特性和环境负荷之间的协同演化规律及内在机制。这项研究为实现固废资源利用过程中材料性能与环境可持续性的最佳平衡提供了重要的数据和理论基础。

随着城市化和工业化的快速发展，环境污染问题日益严重。挥发性有机化合物（VOCs）作为大气污染的主要来源之一，对人体健康构成重大威胁。长期暴露于VOCs环境中可能导致呼吸系统疾病、神经系统损伤，甚至致癌效应，从而降低人类的生活质量。与此同时，废水中的重金属（如铅、镉、汞）也对生态环境和人类健康造成严重影响。为了应对这些挑战，碳材料，包括碳纳米管、石墨烯、生物炭、碳纳米点及其衍生物，正被广泛研究作为去除空气中的VOCs和废水中的重金属的候选材料。其中，碳纳米点因其出色的吸附能力和选择性而脱颖而出，这些特性源于其高比表面积和可调控的结构性能。碳纳米点能够通过多种吸附机制，如π-π相互作用、静电吸引以及与表面官能团的配位作用，实现对污染物的有效吸附。因此，碳纳米点在VOCs和重金属污染治理方面展现出巨大的应用潜力。

碳纳米点的前驱体几乎涵盖了所有天然存在的碳材料，因此，利用大量含碳的固体废弃物资源成为一种理想的选择。这些资源包括但不限于各种生物质材料和工业废料。近年来，随着废轮胎的年产量不断上升，如何充分利用废轮胎成为研究重点。本研究选择废轮胎橡胶粉和废木材片作为原料，通过共水热碳化方法制备CDs。已有研究表明，由多种原料制备的CDs具有丰富的表面官能团、优异的亲水性和稳定的荧光特性。共水热碳化方法不仅实现了对两种废弃物的有效利用，还提升了CDs的性能。

然而，两个关键问题仍然存在：一是天然生物质原料常常能够从环境中富集重金属，而工业固体废弃物也可能在之前的加工过程中引入重金属；二是合成生物质来源的碳纳米点时，会生成大量挥发性有机化合物（VOCs），这些化合物可能滞留在固体残渣中，或通过排气释放到大气中，从而对空气质量及人类健康构成直接威胁。因此，研究人员已经对各种废弃物流中产生的VOCs进行了研究，包括废漆包线、废塑料和废木材片。通过原料预处理、优化温度和停留时间以及使用特定催化剂等策略，已取得显著进展，以减少VOCs的生成。为了确保回收过程真正绿色和可持续，还需要进一步优化碳化条件，增强污染控制措施，并严格评估最终产品的环境安全性。

目前，关于碳纳米点合成过程中产生的VOCs和重金属污染的研究仍显不足，且碳纳米点对VOCs排放和重金属浸出的影响机制尚不明确。此外，使用废木材片和橡胶粉的最佳工艺条件仍未被阐明。为了解决这些问题，本研究采用废木材片和橡胶粉作为原料，在不同的溶剂系统、温度和反应时间条件下进行水热合成。我们研究了CDs的基本特性，以及溶剂组成、反应温度和反应时间对VOCs排放和重金属浸出行为的影响。同时，我们提出了一个关于CDs合成过程中VOCs排放和重金属浸出抑制机制的模型。研究结果对于解决因废弃物资源再利用而引发的环境问题具有重要意义。

本研究中所使用的原料包括废木材片和废橡胶粉。废木材片来自Lingshou Jinghong Mineral Products Co., Ltd.，其粒径中位数为74微米，呈淡黄色。废橡胶粉则来自Changzhou Rongao Chemical New Materials Co., Ltd.，其粒径中位数为385微米，呈黑色。在实验过程中，使用了多种分析级化学试剂，包括硫酸（H?SO?）、乙酸（CH?COOH）和盐酸（HCl），这些试剂由Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.提供。通过选择适当的原料和化学试剂，我们能够更好地控制CDs的合成过程，以实现预期的性能和环境影响。

为了评估CDs的光学特性，研究主要关注其荧光强度、吸收光谱和荧光量子产率（FQY）。FQY的测定采用相对方法，即将每个样品的荧光和吸收光谱与硫酸奎宁标准进行比较。通过这种方法，我们能够获得不同水热条件下的CDs的FQY值，并总结在表2中。实验结果表明，在280摄氏度、反应时间4小时的条件下，CDs表现出最高的FQY，而在反应时间6小时时，CDs则具有最高的荧光强度。这些结果不仅反映了CDs的性能特征，还揭示了不同合成条件下对环境影响的控制机制。

本研究的结论显示，CDs的最佳制备参数包括硫酸-乙酸复合溶剂系统、280摄氏度的水热碳化温度以及4小时或6小时的反应时间。在这些条件下，CDs具有更丰富的表面官能团和更稳定的性能。当反应时间为4小时时，CDs的荧光量子产率达到最高；而当反应时间为6小时时，CDs的荧光强度则达到最大。这些结果表明，通过调整反应时间，可以实现CDs性能和环境影响之间的平衡。因此，本研究不仅为CDs的合成提供了优化的参数，还为未来在环保材料开发中的应用提供了理论支持。

在本研究中，作者们明确了各自在研究中的贡献。周新星负责撰写、审阅和编辑，进行验证、软件开发、资源管理以及项目策划与概念设计。王浩鹏负责监督和数据分析。张子洋负责撰写原始内容、可视化、数据分析、数据管理以及概念设计。金成洙负责监督。马志斌负责撰写、审阅和编辑以及项目策划。这些分工体现了团队在研究中的紧密合作，确保了研究工作的顺利进行。

本研究作者声明，他们没有已知的可能影响研究结果的财务利益或个人关系。这一声明表明，研究结果的客观性和公正性得到了保障。同时，本研究得到了多项基金的支持，包括国家自然科学基金（项目编号52378456）、国家自然科学基金联合基金（项目编号U24A20555）、国家自然科学基金国际（区域）合作与交流项目（项目编号W2421062）、山西省三晋青年领军人才项目（项目编号SJYC2024308）以及山西省研究生创新实践项目（项目编号2024SJ027）。这些基金的支持为研究提供了必要的资源和保障，使研究能够在较长时间内持续推进。

综上所述，本研究通过优化CDs的合成条件，不仅提升了其性能，还有效减少了合成过程中产生的污染。这一成果对于实现绿色、可持续的废弃物资源利用具有重要意义。未来的研究可以进一步探索不同原料和合成条件对CDs性能和环境影响的协同作用，以推动更高效、更环保的污染治理技术的发展。同时，对于CDs在环境中的实际应用，还需要进一步评估其长期稳定性和安全性，以确保其在实际工程中的可行性。