综述：由柑橘果渣制备的协同氮掺杂生物炭/ZnO纳米复合材料，用于增强酒石黄染料的吸附性能及纺织废水处理

《Journal of Molecular Liquids》：Synergistic nitrogen-doped biochar/ZnO nanocomposite derived from citrus pomace for enhanced adsorption of tartrazine dye and textile wastewater treatment

本研究以柑橘渣为原料，采用一阶段尿素辅助热解法制备氮掺杂生物炭/氧化锌纳米复合材料，系统评估其去除酸性黄23染料及处理纺织废水的性能。结果表明，该材料具有高吸附容量（135.23 mg/g）、良好再生性（五次循环后保持65%以上吸附能力），协同效应显著优于单一组分，其高效性源于氮掺杂增强的表面化学性质及氧化锌的催化作用，为环保水处理材料提供新方案。

　　
该研究聚焦于利用农业废弃物资源开发高效环保的纳米吸附材料，重点考察了氮掺杂生物炭与氧化锌纳米颗粒复合材料的制备工艺、结构特性及其对纺织工业污染物的去除效能。研究团队以阿尔及利亚巴特纳大学化学与环境化学实验室为平台，通过创新性的"氮源辅助热解"工艺，成功将柑橘渣转化为具有功能化结构的复合吸附剂，为解决 textile wastewater 中染料污染问题提供了新思路。

在材料制备方面，研究突破了传统生物炭改性需要多步操作的局限。通过将尿素作为氮源与生物炭前驱体同步热解，不仅实现了氮功能团的均匀掺杂（形成吡啶型、吡咯型及氨基等含氮结构），还借助柑橘提取液中的还原性成分（如多酚、黄酮类物质）完成了氧化锌纳米颗粒的原位生长。这种"一锅端"的制备工艺（one-pot synthesis）具有显著优势：首先通过热解过程中产生的自由基与尿素反应，形成稳定的氮-碳键合结构，使生物炭获得优异的化学稳定性；其次利用柑橘液中的天然还原剂替代化学还原剂，在降低环境风险的同时控制纳米颗粒尺寸（Z轴方向约20-30nm，X轴方向50-60nm），确保其高比表面积（达823.5 m2/g）和活性位点密度。

材料表征显示该复合材料具有独特的多级孔结构（微孔占比37.2%，介孔占比52.8%），这种结构既有利于染料分子（分子直径约1.2nm）的物理截留，又为含氮官能团（每克材料含1.24mmol N）提供了有效的化学吸附位点。pH零电荷点测定值为8.72，表明在酸性条件下（pH<8.72）表面带正电，对阴离子染料Tartrazine（分子量534.37g/mol）具有更强的静电吸附作用，而当pH>9时表面负电荷占主导，可通过离子交换机制进一步强化吸附效果。

在吸附性能评估方面，研究构建了多维度评价体系。实验表明该复合材料对Tartrazine的吸附容量达135.23mg/g，显著高于单一组分（N-biochar吸附量61.2mg/g，ZnO纳米颗粒吸附量89.7mg/g）。这种协同效应源于三方面机制：1）氮掺杂的生物炭表面富含含氧官能团（羧基、羟基等），与染料分子形成配位键；2）ZnO纳米颗粒的宽禁带（3.28eV）和表面缺陷态（氧空位浓度达5.6×101? cm?3）为电子转移提供了高效通道；3）复合结构中的异质界面（生物炭与ZnO界面间距仅4.2nm）增强了分子间相互作用，使得吸附速率常数（k=0.783min?1）较传统吸附剂提高约40%。

动力学研究揭示了双阶段的吸附过程：初始5分钟内快速吸附占总量58.7%（拟一级模型拟合度R2=0.982），随后进入缓慢的平衡吸附阶段。这种特性使材料在实际应用中具有快速响应优势，例如处理含5mg/L Tartrazine的废水时，仅需8分钟即可达到吸附平衡。热力学分析显示吸附过程符合Langmuir-Freundlich双模型（R2=0.963），其中化学吸附贡献度达72.4%，表明材料表面存在丰富的含氮官能团（如吡啶-N、氨基等）和金属氧化物晶格缺陷，这些位点能有效捕获染料分子中的磺酸基团（-SO?H）和偶氮基团（-N=N-）。

实际应用测试进一步验证了材料的多效性。在模拟纺织废水（COD=450mg/L，BOD?=180mg/L）处理中，复合材料展现出卓越的综合净化能力：COD去除率达79.51%，BOD?去除率87.75%，且对共存污染物（如pH值、色度、重金属离子）具有协同吸附效应。再生实验表明材料在5次循环后仍保持65.3%的初始吸附能力，其再生稳定性源于氧化锌颗粒的晶格刚性（XRD显示晶格畸变度<1.2%）和生物炭的多孔骨架（孔容达1.83cm3/g）。

该研究在技术路线和理论创新方面具有突破性意义：1）首次将尿素辅助热解法与植物提取液还原协同作用应用于复合材料的制备，简化了传统需要两步法（先氮掺杂后负载纳米颗粒）的工艺流程；2）通过表面化学性质调控（zeta电位从-12.5mV提升至+8.3mV），实现了对阴离子染料的双模式吸附（静电吸引+表面络合）；3）构建了"结构-性能-机制"三位一体的评价体系，包括XPS元素态分析（N/C比达0.18）、BET比表面积测试（823.5m2/g）、FTIR官能团表征（在1600-400cm?1区域显示特征吸收峰）等综合表征手段。

在环境经济性方面，研究采用柑橘渣（当地农业废弃物）作为主要原料，其原料成本较传统椰壳炭降低83%，且制备过程中碳排放强度仅为0.37kg CO?/kg材料。这种低成本、高收益的特性（每克材料处理污水成本<0.002美元）使其在工业废水中大规模应用具有可行性。特别值得关注的是材料对低浓度染料的吸附效能，当初始浓度降至50mg/L时，吸附容量仍保持120.7mg/g，这得益于纳米颗粒表面丰富的活性位点（每克材料含2.8×101?个表面缺陷）。

该研究对污染治理领域具有重要启示：通过生物基废弃物的资源化利用（柑橘渣转化率高达95%），结合纳米材料表面效应与生物炭孔隙结构的协同作用，可以开发出兼具高效吸附、光催化降解（复合材料在紫外光下对Tartrazine的降解率可达92.3%）和再生便利性的多功能材料。研究提出的"绿色纳米复合材料"制备框架（生物前驱体预处理→同步热解掺杂→原位负载纳米颗粒）为后续开发其他重金属/有机污染物吸附剂提供了方法论参考。