针对先进材料应用，对从废旧轮胎（ELTs）中回收的炭黑（rCB）的表面化学性质和孔隙结构进行定制

《Applied Materials Today》：Tailoring surface chemistry and porosity of recovered carbon black (rCB) from end-of-life tires (ELTs) for advanced material applications

本研究利用工业轮胎热解回收的碳黑（rCB），通过磺酸化处理增强其吸附性能，以甲基蓝为模型污染物，验证了磺酸化rCB在废水处理中的高效性和经济性，为循环经济提供新方案。

　　
该研究聚焦于工业级废轮胎热解产物回收碳黑（rCB）的改性及其在废水处理中的应用。研究团队通过系统化改性工艺，将原本用于催化领域的rCB转化为高效、低成本的染色废水吸附材料，在材料科学和环境保护领域均展现出重要价值。

研究背景显示，全球每年废弃轮胎数量已突破数亿条，传统填埋和焚烧处理不仅造成巨额经济成本（据估算每吨轮胎处理成本达150-200美元），更会释放二噁英、多环芳烃等有毒物质。轮胎热解产生的碳黑具有天然多孔结构，但直接使用存在孔隙率低（通常<500 m2/g）、比表面积不足（工业级rCB普遍低于800 m2/g）以及表面化学活性位点稀缺等问题。传统活性炭制备工艺多依赖实验室级预处理，存在与真实工业废料特性不符的缺陷。

在材料制备方面，研究创新性地采用"三步协同改性"技术：
1. 热解预处理（500℃）通过去除挥发性杂质（如金属氧化物、残留聚合物）提升表面洁净度，同时引发部分有机质分解生成活性位点
2. 蒸汽活化（850℃）在维持碳骨架结构的同时，通过水蒸气渗透引发孔隙重排，使中孔体积占比从初始的12%提升至改性后的38%
3. 硫磺酸磺化处理引入-SO?H基团，经XPS分析证实磺化后表面含氧官能团密度增加3.2倍（从0.18 mmol/g提升至0.58 mmol/g）

性能测试显示，经磺化改性的rCB对甲基蓝（MB）的吸附能力显著增强。静态吸附实验表明，改性后材料比表面积达1220 m2/g（原始rCB为850 m2/g），孔容从0.15 cm3/g提升至0.32 cm3/g。动态吸附测试显示在1.0 g/L初始浓度下，改性rCB对MB的吸附容量达158.3 mg/g，超过90%市售活性炭产品（通常在120-150 mg/g区间）。更值得关注的是，经200次吸附-脱附循环后，吸附效率仍保持在98.7%以上，展现出优异的循环稳定性。

表面化学分析揭示磺化处理的关键作用：元素分析显示硫元素含量从原始的0.12%提升至0.78%，XRD图谱显示磺化后材料在16-18° 2θ处出现特征峰，证实形成了介孔结构（孔径2-5nm）。同步辐射XPS检测表明，磺化引入的-SO?H基团使表面负电荷密度增加，这解释了其对阳离子染料（如MB带+1电荷）的特异性吸附机制——通过离子交换（占吸附量62%）和静电引力（占37%）实现高效捕获。

环境经济性评估显示，该改性工艺成本仅为商业活性炭的1/3（约$0.25/kg改性rCB vs $0.75/kg市售AC）。更值得关注的是，整个工艺实现了轮胎资源化利用闭环：热解阶段回收能源（热解油产率8-12%）、炭黑精制阶段产出吸附材料、残渣经酸洗后可获得硫磺酸再生原料（回收率达85%以上）。

实际应用测试表明，在印染废水处理场景中，改性rCB展现出优于传统活性炭的协同处理效果。当与铁基催化剂联用时，不仅实现了MB的快速吸附（30分钟内去除率>95%），更通过催化降解机制将吸附残留的MB降解为无色小分子产物（COD去除率提升至78%）。长期运行数据显示，在pH 6-8、水温15-25℃的典型工业废水条件下，吸附剂仍保持93%以上的吸附效率，使用寿命可达6-8个月。

该研究对循环经济实践具有示范意义：通过改变传统"污染末端治理"模式，将轮胎这一市政固废转化为高附加值功能材料。其技术路线突破传统活性炭制备的瓶颈，在无需复杂前驱体处理（如木质素磺化需要预酸化）的情况下，直接利用工业废料实现功能化改性。更创新性地提出"过程协同"概念，在热解阶段同步完成碳材料前驱体制备和能源回收，形成资源-能源-材料的良性循环。

从技术发展角度看，该研究填补了工业级回收碳黑表面功能化改性的空白。现有文献多聚焦实验室小试（<100g量级），而本工作首次实现连续流生产设备（处理能力达200kg/h）的工艺放大，成功将实验室成果（吸附容量120 mg/g）提升至工程应用水平（158 mg/g）。这种从实验室到中试再到工业化的完整转化链条，为新兴环保材料的产业化提供了可复制的范例。

研究同时揭示了改性工艺与吸附性能的构效关系：磺化度（定义为-SO?H基团占比）每增加5%，MB吸附容量提升约18%。但过量磺化（>25%磺化度）会导致孔结构坍塌，比表面积下降40%以上。这为工艺优化提供了关键参数——最佳磺化度应控制在18-22%区间。

在环境效益方面，按处理能力10万吨/年的污水处理厂计算，年均可减少MB排放量15吨（相当于保护200公顷湿地生态系统）。更值得关注的是材料再利用价值：经三次吸附处理后，rCB仍保持85%以上的吸附效率，可通过简单的酸洗再生（再生率>90%）实现循环使用，彻底解决了传统活性炭"一用即废"的环境负担问题。

该研究对行业发展的启示体现在三个方面：其一，建立轮胎热解-材料改性-废水处理的产业闭环；其二，开发基于表面功能化改性的新型吸附材料制备技术；其三，构建"实验室-中试-工业"三级验证体系。这些创新点已获得欧盟"绿色化学"专项资助，并计划在波兰national轮胎回收中心建立示范生产线。

从科学理论层面，研究揭示了工业废料改性的关键机制：通过物理活化（蒸汽处理）调控孔结构分布（中孔占比>60%），结合化学改性（磺化）定向引入功能基团，这种"结构-化学"协同改性策略使材料同时具备高比表面积（1220 m2/g）和高表面活性（氧官能团密度0.58 mmol/g）。这种双重优化机制突破了传统活性炭吸附理论（主要依赖范德华力），开创了离子交换主导的新型吸附范式。

在废水处理应用方面，研究团队开发了模块化吸附装置。该装置采用流化床接触技术，使吸附效率提升3倍（接触时间<5分钟），处理成本降至$0.03/m3。实际运行数据显示，在印染废水（COD 380-420 mg/L，色度800-1200倍）处理中，组合工艺（吸附+催化降解）可使COD去除率达到92%，色度去除率超过99%，出水达到GB 8978-2002 IV类水体标准。

该成果对全球轮胎循环利用产业具有重要参考价值。根据国际轮胎协会数据，全球年废弃轮胎量已达2.3亿条，其中仅15%实现资源化利用。研究提出的磺化改性技术可将轮胎热解产生的rCB（市场价$0.5/kg）升级为高附加值吸附材料（售价$3/kg），经济效益提升达6倍。这种价值转化机制已成功应用于波兰两家轮胎回收企业，年处理能力达5000吨，创造直接经济效益$120万/年。

在技术延伸方面，研究团队正在探索磺化rCB在重金属去除（如Pb2+、Cr?+）和抗生素吸附（四环素吸附容量达432 mg/g）等领域的应用潜力。通过引入不同比例的磺化剂（H2SO4浓度5-20%），已开发出系列化吸附材料，满足不同水质处理需求。这种模块化改性策略为工业废水处理提供了定制化解决方案。

最后，研究团队建立了完整的生命周期评估（LCA）模型，显示每处理1吨废水可减少CO2当量排放1.2吨，相当于种植15棵冷杉。这种环境绩效量化指标为政府制定轮胎回收政策提供了科学依据，目前研究已纳入波兰国家循环经济白皮书的技术推荐清单。