基于混合维度凹凸棒石的介孔碳/黏土复合吸附剂制备：染料吸附机制与分子动力学计算

本研究针对印染废水处理难题，以煤焦油沥青（CTP）为碳源、混合维度凹凸棒石（APT）为基质，通过高温煅烧和碱活化一步法制备新型介孔碳/黏土复合吸附剂（CMAPT）。该材料对阳离子染料亚甲基蓝（MB）和阴离子染料刚果红（CR）的吸附量分别达2199.25 mg/g和623.83 mg/g（323 K），吸附过程符合准二级动力学和Langmuir模型。研究通过FTIR、BET、SEM等表征手段揭示了静电吸附、氢键和π-π相互作用的多机制协同效应，并结合位点能量分布理论（SED）和分子动力学（MD）模拟深入解析了染料分子结合取向与界面能，为“以废治废”的废水处理策略提供了新思路。

　　

纺织印染工业的快速发展带来了大量含染料的废水排放，其中亚甲基蓝（MB）和刚果红（CR）等合成染料因其蒽醌、偶氮结构对人体健康具有显著危害，传统处理方法面临效率低、成本高的瓶颈。吸附法虽具环保优势，但常规活性炭（AC）存在孔隙结构不佳、碳纳米管成本高昂等问题。针对这一挑战，中国科学院兰州化学物理研究所的研究团队创新性地利用甘肃特有的混合维度凹凸棒石（APT）与煤焦油沥青（CTP）废弃物，开发出高性能介孔碳/黏土复合吸附剂（CMAPT），相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

研究采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）和比表面积分析（BET）等技术表征材料结构，结合吸附动力学实验、位点能量分布理论（SED）和分子动力学（MD）模拟，系统探究了CMAPT的吸附性能与机制。

Composition and pore structure
XRD与FTIR分析证实CMAPT成功形成碳覆盖APT的复合结构，BET显示其比表面积达892.36 m²
/g，介孔占比超70%。碱活化过程中KOH溶解黏土骨架并创造多级孔隙，使材料兼具高比表面积和丰富的活性位点。

Adsorption performance
CMAPT对MB和CR的吸附量显著优于单一组分材料，323 K时分别达2199.25 mg/g和623.83 mg/g。吸附过程符合准二级动力学模型，表明化学吸附为主导机制；Langmuir等温线拟合说明单层吸附为主，部分条件下出现双层吸附特征。

Adsorption mechanism
静电相互作用（pH依赖实验证实）、氢键（FTIR检测到-OH振动峰偏移）和π-π堆积（CTP衍生芳香结构与染料共轭体系作用）构成三重驱动力。MD模拟显示MB分子倾向于平行吸附于碳表面，而CR因磺酸基团呈现倾斜取向，结合能分别为-28.7 kJ/mol和-22.4 kJ/mol。

Conclusions
该研究实现了“以废治废”的环保理念，通过CTP与APT的界面耦合及KOH精准活化，构建了高效染料吸附体系。理论模型与实验的相互验证为多机制协同吸附提供了普适性解释，分子尺度模拟填补了复合吸附剂界面行为研究的空白。CMAPT的工业化应用有望降低废水处理成本，并为黏土矿物高值化利用开辟新途径。