基于Chlorocardium rodiei废弃木材的碳材料快速氧化功能化及其对重金属吸附性能的优化研究

本研究针对传统活性炭(AC)氧化改性过程中比表面积损失严重的问题，开发了常温短时(≤60 min)硝酸闪蒸氧化技术，以热带硬木Chlorocardium rodiei为原料制备的磷酸活化炭为载体，实现了氧含量提升8 at.%的同时比表面积仅损失12%，显著提高了Al3+ (22%)和Pb2+ (5%)在pH 3条件下的吸附效率，为重金属污染治理提供了新型绿色改性策略。

　　

重金属污染治理面临吸附材料功能化与结构稳定性难以兼顾的挑战。传统活性炭(AC)氧化改性常需高温长时间处理，导致比表面积(SSA)损失高达50%。热带硬木Chlorocardium rodiei（绿心木）作为圭亚那地区丰富的废弃资源，其高孔隙率特性为开发新型吸附材料提供了可能。

为解决这一难题，国外研究团队在《Carbon Trends》发表研究，创新性地采用常温(22°C)短时(15-60 min)硝酸闪蒸氧化技术处理磷酸活化炭(GH-PAC₆₀₀
)。通过精准控制10 M HNO₃
处理时间，在仅损失12% SSA(2364 m²
/g)的情况下，实现碳结合氧含量提升8 at.%，其中羟基(-OH)和羰基(C=O)分别增加350%和233%。X射线光电子能谱(XPS)证实氧化过程优先形成醇类官能团，而羧酸基团(O-C=O)虽增幅最大(708%)但总量最低。

研究采用微波等离子体原子发射光谱(MP-AES)分析吸附性能，发现GH-OX_10M15
材料对Al³⁺
和Pb²⁺
的吸附效率提升与C=O(r=0.968)和C-OH(r=0.942)显著相关，而Mn²⁺
吸附则与酸性基团呈负相关(r=-0.930)。等温吸附实验显示，改性材料对Pb²⁺
的Langmuir最大吸附量达49.50±4.95 mg/g，较未改性材料提升5%。

关键技术创新在于：1) 采用密度泛函理论(DFT)分析孔隙结构变化；2) 通过XPS定量不同氧物种分布；3) 建立表面氧物种与金属吸附的Pearson相关性模型；4) 对比Langmuir/Freundlich/Sips/Redlich-Peterson四种吸附模型。

4.1节揭示氧化过程存在"清洁效应"：5 M HNO₃
处理15分钟使SSA增加47 m²
/g，XPS证实这是由于去除了50%的残留磷酸盐。4.2节显示真实碳结合氧从1.34 at.%提升至9.41 at.%，且氧化程度遵循-OH>C=O>O-C=O的规律。4.3节证实Al³⁺
在多元体系中会抑制Mn²⁺
吸附，这与三价离子更高的电荷密度有关。

该研究突破性地证明：1) 短时氧化可避免传统方法导致的孔结构坍塌；2) 特定氧官能团选择性吸附不同金属离子；3) 为热带木材废弃物高值化利用提供新途径。这种绿色改性策略省去了高温能耗，操作时间缩短90%以上，对酸性工业废水处理具有重要应用价值。研究同时指出，未来需针对目标污染物优化氧化参数以获得最佳官能团组合，这种"功能导向型"改性理念为环境功能材料设计提供了新思路。