煤基氮硫共掺杂碳纳米管复合材料对罗丹明B的超高容量吸附研究

针对工业废水中有机染料污染难题，研究人员以煤为前驱体成功合成N,S共掺杂碳纳米管复合材料(SCNTs/AC)，其对罗丹明B(Rh B)的吸附容量达3242.04 mg/g，20分钟去除率99.34%，经4次循环仍保持98.89%效率。该研究为高值化利用煤炭资源及染料废水治理提供新策略。

　　

有机染料污染是当前环境治理的重大挑战。以纺织、印染行业排放的罗丹明B(Rh B)为例，这种亲水性偶氮染料难以自然降解，不仅造成水体生态破坏，还可能通过食物链威胁人类健康。传统吸附材料如活性炭(AC)、金属有机框架(MOFs)等普遍存在吸附容量低、成本高等缺陷。如何开发兼具高效性与经济性的新型吸附剂，成为环境工程领域的研究热点。

山西某研究团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究中，创新性地以陕西神木煤为碳源，通过K₂CO₃活化和硫脲掺杂的共热解工艺，成功制备出氮硫共掺杂碳纳米管复合材料(SCNTs/AC)。该材料展现出惊人的Rh B吸附性能——在323 K条件下，对300 mg/L Rh B溶液20分钟去除率达99.34%，理论最大吸附容量高达3242.04 mg/g，远超现有报道的吸附剂。即使经过4次乙醇脱附循环，其效率仍保持在98.89%。

研究采用多尺度表征技术：通过BET比表面积分析揭示1-2 nm微孔的关键作用；XPS证实吡啶氮(pyridinic N)增强静电相互作用；SEM显示K₂CO₃活化形成的交织碳纳米管结构；结合DFT计算从分子层面阐释吸附机制。

主要研究结果

表面形貌分析
SEM显示原始煤表面粗糙无孔隙，而K₂CO₃活化后形成密集缠绕的碳纳米管网络，硫脲掺杂进一步产生丰富介孔结构，比表面积达892.6 m²/g。

吸附性能研究
吸附过程符合Langmuir模型和准二级动力学，表明单层化学吸附为主导机制。pH=8时达到最佳吸附效果，温度升高显著提升吸附容量，证明过程为吸热反应。

机理分析
四重协同机制被揭示：1)1-2 nm微孔实现分子筛效应；2)吡啶氮增强的静电吸引；3)芳香环间的π-π堆积；4)硫醇基(-SH)与Rh B的氢键作用。DFT计算显示硫掺杂使吸附能降低至-2.34 eV。

结论与意义
该研究开创了煤炭高值化利用的新途径——每吨神木煤可制备约210 kg SCNTs/AC，处理成本较商业CNTs降低76%。机理上首次阐明氮硫双掺杂对电子云密度和表面官能团的协同调控作用。技术层面建立的"孔道筛选-化学键合"双效吸附模型，为设计新一代染料吸附材料提供理论框架。研究成果对实现"双碳"目标下的固废资源化与工业废水治理具有双重示范价值。