基于沙漠植物Balanites aegyptiaca的SrO@生物炭与SrO@生物质复合材料绿色构建及其对废水中邻硝基苯酚的高效去除研究

《Scientific Reports》：Engineering of balanites aegyptiaca-derived SrO@biochar and SrO@biomass for nitrophenol removal from wastewater

本研究针对废水中高毒性、难降解的有机污染物邻硝基苯酚（o-NP）的去除难题，创新性地利用沙漠植物Balanites aegyptiaca同时作为还原剂和载体，成功构建了SrO@生物炭（SrO-BC）和SrO@生物质（SrO-BM）两种绿色吸附剂。系统比较研究表明，SrO-BC在pH=5、25°C条件下对o-NP的吸附容量高达335.57 mg/g，且经过5次循环使用后仍保持80%以上的去除效率。该研究为可持续废水处理技术开发提供了新策略，展现了良好的应用前景。

　　

随着工业化的快速发展，有机污染物对水环境的威胁日益严重。其中，硝基苯酚类化合物因其高毒性、持久性和生物累积性，成为水处理领域面临的重大挑战。这类污染物即使浓度很低，也会对人体健康造成严重危害，包括口腔刺激、视力模糊、肝肾损伤等系统性中毒症状。更棘手的是，硝基基团的存在显著增强了这些化合物在水体和土壤中的持久性，使得传统处理方法往往难以有效去除。

当前，吸附法因其成本效益高、操作简单等优势，被认为是去除硝基苯酚的最高效技术之一。然而，传统纳米材料的合成方法通常涉及高温、有毒溶剂和还原剂，对环境造成二次污染。这促使科学家们将目光转向绿色合成技术，利用植物提取物同时作为还原剂和封端剂，实现纳米材料的可持续制备。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，研究人员开创性地利用沙漠植物Balanites aegyptiaca（俗称沙漠枣）开发了两种新型吸附材料。这种多用途树种不仅富含酚类、单宁、黄酮类等植物化学物质，为其作为绿色合成试剂提供了理想条件，更重要的是其生物质资源可实现全组分利用，符合循环经济理念。

研究团队采用一体化绿色合成策略，首先利用植物叶提取物制备氧化锶纳米颗粒（SrO NPs），同时将植物枝条分别转化为生物质（BM）和生物炭（BC），最终通过物理后合成法制得SrO-BM和SrO-BC复合材料。

表征结果显示，SrO NPs呈30.82-43.80 nm的非均匀球形颗粒，成功负载于复合材料表面。XRD证实了SrO的结晶特性，FTIR揭示了材料表面丰富的含氧官能团，这些特征为污染物吸附提供了有利条件。

优化吸附条件

通过系统的批次实验，研究人员确定了最佳吸附条件：pH=5、吸附剂用量0.5 g/L、温度25°C。比较研究表明，SrO-BC对o-NP的吸附性能显著优于SrO-BM，最大吸附容量分别为335.57 mg/g和234.74 mg/g。这种性能差异主要归因于生物炭比原始生物质具有更大的比表面积和更丰富的孔隙结构。

吸附机理深入解析

等温线研究表明，SrO-BC符合Freundlich模型（R²=0.971），表明其表面存在多分子层吸附；而SrO-BM更符合Langmuir模型（R²=0.988），提示单分子层化学吸附占主导。动力学数据均符合准二级模型，说明吸附过程以化学吸附为主。

通过XPS分析等手段，研究揭示了四种主要吸附机理：电子供体-受体相互作用、氢键作用、π-π堆积和配位键合。特别值得注意的是，由于在最佳吸附pH=5时o-NP以分子形式存在，静电相互作用并不参与吸附过程，这在传统吸附机理中较为少见。

实际应用潜力验证

在真实废水测试中，SrO-BC对工业废水中o-NP的去除率达到88.5%，显著优于SrO-BM的81.9%。循环实验显示，经过5次吸附-解吸循环后，SrO-BC仍保持70%以上的去除效率，证明了其良好的稳定性和可重复使用性。

成本分析表明，制备每批次SrO-BC和SrO-BM的成本分别为79.65美元和75.15美元，展现了良好的经济可行性。与现有报道的吸附剂相比，这两种绿色复合材料在吸附容量和可持续性方面都展现出明显优势。

该研究的创新之处在于首次将Balanites aegyptiaca同时作为纳米材料合成试剂和吸附剂载体，实现了植物资源的全组分高值化利用。研究不仅证实了将生物质转化为生物炭的能量投入具有重要价值，还为绿色水处理技术的发展提供了新思路。特别是在当前全球推动可持续发展的背景下，这种基于天然植物的绿色合成技术具有重要的科学意义和应用前景。

研究成果为解决难降解有机污染物去除难题提供了切实可行的技术方案，同时也为其他功能性纳米复合材料的绿色设计提供了重要参考。随着后续研究的深入，这种基于沙漠植物的绿色吸附剂有望在工业废水处理领域发挥重要作用。