硝酸活化消化污泥生物炭对亚甲基蓝吸附的机制研究：响应面优化与分子模拟揭示多尺度相互作用

本研究针对污水处理厂厌氧消化污泥资源化难题，通过HNO3 活化制备高比表面积生物炭(BC-HN9)，结合CCD-RSM优化吸附条件，揭示其对亚甲基蓝(MB)的吸附机制。实验证实其最大吸附量达176.05 mg·g?1 ，DFT-MD模拟阐明静电作用、π-π堆积等多重协同机制，为污泥高值化利用与染料废水治理提供新策略。

　　

随着纺织、医药等行业快速发展，亚甲基蓝(MB)作为广泛应用的功能染料，其环境残留引发的健康风险日益凸显。研究表明，MB在光照下可诱发DNA损伤，长期接触会导致皮肤病变甚至癌症风险上升。更严峻的是，超过80%的工业染料废水未经处理直接排放，而传统水处理技术如膜过滤、高级氧化等存在成本高、二次污染等问题。与此同时，全球污水处理厂(WWTPS)每年产生巨量厌氧消化污泥，其高水分、病原体及重金属含量给处置带来挑战。如何实现污泥资源化与染料污染治理的双赢，成为环境科学领域亟待突破的课题。

摩洛哥研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，创新性地将污水处理厂污泥经热解制备生物炭，通过硝酸(HNO₃
)化学活化构建多孔吸附材料，系统探究其对MB的去除效能与分子机制。研究采用响应面法(CCD-RSM)优化工艺参数，结合密度泛函理论(DFT)和分子动力学(MD)模拟，首次从原子尺度揭示HNO₃
活化生物炭的吸附机理。

关键技术方法包括：1) 以摩洛哥Aourir污水处理厂的厌氧消化污泥为原料制备原始生物炭(BC-HN0)；2) 采用不同浓度HNO₃
(0-9M)进行化学改性获得BC-HNx系列材料；3) 通过SEM/TEM/XPS等表征手段解析材料理化性质；4) 运用CCD-RSM设计31组实验优化pH、接触时间等吸附条件；5) 采用DFT计算探讨MB与含氧/氮官能团的电子相互作用，结合径向分布函数(RDF)和蒙特卡洛(MC)模拟验证吸附构型。

Characterization of materials
XRD分析显示BC-HN9在26.6°出现石墨化(002)晶面衍射峰，FTIR证实HNO₃
活化引入羧基(-COOH)和硝基(-NO₂
)。BET测试表明改性后比表面积提升至312 m²
/g，微孔容积增加47%，XPS证实表面氧含量从8.7%增至22.3%，为MB吸附提供丰富活性位点。

Conclusion
BC-HN9对MB的吸附符合拟二级动力学模型，Langmuir模型拟合最大吸附量达176.05 mg·g^?1
。DFT计算表明MB吡啶环与生物炭表面羧基形成强氢键(E_ads
=-1.89 eV)，MD模拟显示π-π堆积距离稳定在3.5?。热力学参数(ΔH=28.4 kJ/mol)证实吸热过程的自发性。

该研究的重要意义在于：首次建立"污泥-生物炭-染料吸附"的全链条技术路径，通过多尺度表征与模拟阐明HNO₃
活化增强吸附的原子机制。提出的"静电吸引-孔隙填充-π相互作用"协同模型，为设计高性能环境吸附材料提供理论指导。研究成果不仅实现废弃物增值利用，更为《水污染防治行动计划》中染料废水治理目标的实现提供技术支撑。