N/O杂原子掺杂生物质活性炭的设计及其对有毒染料污染物的高效吸附性能研究

为解决工业废水中难降解有毒染料污染问题，研究人员通过橡果浆碳化及草酸/尿素水热反应制备了氮氧共掺杂活性炭(ACON)，其对亚甲基蓝(MB)的吸附效率达94.21%，较未改性活性碳提升1.63倍。该材料通过BET、SEM、FTIR和XPS表征证实其比表面积增加和活性基团形成，吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温模型，在废水处理中展现出应用潜力。

　　

工业废水中的染料分子因其毒性、难降解性和在自然水体中的累积性，已成为威胁生态环境和人类健康的重大污染源。传统吸附材料如沸石、生物废弃物和金属氧化物虽有一定效果，但活性炭(ACs)因其前驱体来源广、环境友好和高比表面积等优势成为研究热点。然而，普通活性炭存在孔隙结构不佳和选择性低的缺陷，限制了其大规模应用。为此，通过杂原子掺杂改性成为提升其性能的关键突破口。

在这项研究中，科研团队以橡果浆为原料，经碳化后通过草酸和尿素水热反应成功制备了氮氧共掺杂活性炭(ACON)。该材料对亚甲基蓝(MB)的吸附效率高达94.21%，是未改性活性炭(57.60%)的1.63倍。性能提升归因于比表面积的扩大和新型活性基团的形成，这通过Brunauer-Emmett-Teller(BET，比表面积分析)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等多维表征得到验证。吸附过程符合自发的吸热机制，动力学和等温线分别遵循准二级模型和Langmuir模型。值得注意的是，在不同水质基质中，阳离子竞争会导致吸附效率下降，但经过四次循环使用后仍能保持71.8%的MB去除率，显示良好稳定性。

研究团队采用的关键技术包括：水热掺杂改性工艺、BET比表面积分析、SEM表面形貌观测、FTIR官能团鉴定以及XPS元素价态分析。实验系统考察了pH值、固液比、初始污染物浓度和温度等参数的影响。

Materials
研究选用85%磷酸、98%亚甲基蓝等试剂，通过严格控制反应条件制备不同掺杂比例的样品。

Characterization
BET分析显示ACON具有显著提升的比表面积和孔隙结构；SEM图像证实表面形貌改变；FTIR检测到含氮/氧官能团特征峰；XPS验证了C=O、C-OH等活性位点的形成。

Preliminary adsorption studies
通过对比七种制备参数发现，最佳掺杂比例的ACON在MB吸附中表现突出，其吸附容量是未改性样品的1.63倍。

Conclusion
该研究证实氮氧共掺杂可协同增强活性炭的π-π相互作用和静电吸附能力，形成近乎两性的表面特性。除MB外，ACON对孔雀石绿(MG)和环丙沙星(CP_x)也展现优异吸附性能，为废水处理提供了新型高效吸附材料。

这项发表于《Biomass and Bioenergy》的研究由?eyda Karadirek、Nergiz Kanmaz等学者合作完成，不仅揭示了杂原子掺杂对活性炭表面性质的调控机制，更为工业废水处理提供了具有实际应用价值的技术方案。特别是材料在复杂水质环境中的稳定性和再生能力，为其工程化应用奠定了理论基础。研究创新性地将生物质废弃物转化为高性能环境材料，实现了资源循环利用与污染治理的双重目标。