利用辣木（Moringa oleifera）种皮从合成废水中吸附去除卡马西平

《South African Journal of Chemical Engineering》：Adsorptive removal of Carbamazepine from synthetic wastewater using Moringa oleifera seed coat

卡巴姆赞汀吸附去除研究中，以莫桑戈种子外壳为原料经磷酸酸解（85%）及600℃碳化制备生物炭，系统考察了搅拌速度（200-400 rpm）、温度（30-50℃）及吸附时间（0-3小时）对吸附性能的影响。响应面法建立的二次回归模型显示R2=0.9754，400 rpm、30℃和2.15小时条件下吸附容量达51.87 mg/g。FTIR、SEM等表征证实生物炭表面含丰富羧基等官能团，介孔结构（比表面积237.3 m2/g）及芳香性增强吸附性能。动力学模型显示伪二级动力学特征，等温线模型为Temkin方程，表明吸附以化学作用为主。研究为处理制药废水提供了新型低成本吸附剂方案。

　　
该研究针对新兴污染物卡巴马齐丁（CBZ）的去除问题，开发了一种基于莫桑戈种子外壳的生物炭吸附材料。研究通过酸预处理和高温碳化工艺优化生物炭的理化性质，结合响应面法探究了搅拌速度、温度和时间对吸附效率的影响，并系统分析了吸附机理。以下是核心内容解读：

### 材料与方法
1. **生物炭制备**
莫桑戈种子外壳经85%磷酸酸解24小时后，在600°C下碳化4小时。酸解步骤通过破坏木质素和纤维素结构，释放活性位点；碳化过程形成多孔结构并增强芳香性。最终产物通过过滤、干燥和表征。

2. **表征分析**
- **扫描电镜（SEM）**：显示生物炭表面存在碳纳米结构及不规则颗粒，证实酸解-碳化工艺形成了高比表面积的孔隙结构。
- **元素分析（CHNOS）**：生物炭碳含量达59.6%，氢、氮、氧含量显著降低，表明其疏水性增强，适合吸附疏水性药物。
- **红外光谱（FTIR）**：检测到C=O、C-O等特征峰，证明酸解引入官能团，增强了π-π相互作用吸附能力。
- **XRD与BET分析**：证实生物炭具有微孔和介孔结构（比表面积237.3 m2/g），且无结晶杂质干扰。

### 关键实验设计
研究采用三阶段实验验证：
1. **单因素预实验**
测试搅拌速度（200/300/400 rpm）、温度（30/40/50°C）和时间（1-3小时）对吸附效率的影响。结果显示：
- 搅拌速度从200增至400 rpm，吸附容量提升8.61%（从44.58 mg/g至51.87 mg/g）。
- 温度升高至50°C时吸附容量增加6.88%，但温度对结果影响弱于其他因素。
- 吸附时间超过2小时后趋于平衡，93.3%污染物被去除。

2. **响应面法优化**
采用Box-Behnken设计构建二次回归模型，验证因素间交互作用。结果显示：
- 模型R2=0.9754，调整后R2=0.9015，说明模型拟合度良好。
- 搅拌速度（p=0.006）对吸附容量影响最显著，温度（p=0.262）和时间（p=0.200）无显著影响。
- 最优条件为400 rpm、30°C、2.15小时，预测吸附容量51.87 mg/g，与实测值51.09 mg/g误差1.53%。

### 吸附机理与性能验证
1. **吸附动力学**
通过伪二阶模型（R2=0.9999）描述吸附过程，表明CBZ主要受化学吸附驱动。初始快速吸附（t<60 min）后转为慢速扩散控制阶段。

2. **等温线模型**
Temkin等温线模型（R2=0.9999）显示吸附过程存在均匀分布的吸附位点，且吸附热随浓度增加线性降低，符合多分子相互作用特征。

3. **对比实验**
生物炭对CBZ的吸附容量（51.09 mg/g）优于多数农业衍生吸附剂（如稻壳炭40 mg/g、咖啡炭242 mg/g），但低于部分合成材料（如纳米石墨片684.8 mg/g）。其优势在于原料易得、制备成本低且具有生物降解性。

### 创新点与局限性
**创新性**：
- 首次将莫桑戈种子外壳酸解-碳化工艺与CBZ吸附结合，原料来源广泛且无污染。
- 通过响应面法优化多因素交互作用，建立可靠预测模型。
- 揭示酸解过程引入的羧基和芳香环官能团对吸附的协同作用。

**局限性**：
- 未进行长期运行稳定性测试及再生实验。
- 模型验证仅基于实验室合成废水，实际废水水质差异可能影响效果。
- 对吸附位点的分子机制（如π-π作用、离子交换）缺乏深入解析。

### 环境意义
该研究验证了农业废弃物资源化利用的可行性，通过简单工艺（酸解+碳化）制备出高效低成本的生物炭吸附剂。在可持续发展背景下，该技术符合联合国SDGs 6（清洁水）和14（海洋保护）目标，为新兴污染物治理提供了新思路。

### 结论
莫桑戈种子外壳生物炭在优化条件下对CBZ表现出高效吸附能力（51.09 mg/g），其性能提升源于酸解预处理增强表面官能团密度及碳化形成的多孔结构。研究建立的二次回归模型可有效预测吸附容量，为后续放大生产提供理论依据。该技术兼具环境友好性和经济可行性，适合大规模应用于制药废水处理。

### 未来方向
建议后续研究包括：
1. 生物炭在真实污水中的长期吸附性能及再生能力测试。
2. 同步辐射表征技术解析CBZ吸附位点与官能团的作用机制。
3. 开发组合工艺（如生物炭-膜分离耦合系统）提升处理效率。

该成果为农业废弃物高值化利用提供了新范式，其方法论（酸解-碳化协同优化）可推广至其他药物污染治理场景，助力实现循环经济目标。