一步法CO2活化制备橙皮基环保吸附剂及其对除草剂的高效去除机制研究

本研究针对农业废弃物橙皮资源化利用和除草剂污染治理难题，创新性地采用常规/微波加热下一CO2活化一步法制备高性能吸附剂。研究发现常规加热制备的活性炭（OFC800）对敌草隆（DCMU）和草甘膦（GLY）的吸附量分别达48.68 mg/g和2.91 mg/g，且阳离子聚丙烯酰胺（CtPAM）可使草甘膦解吸率降至0%。该研究为农业废弃物高值化利用和复合污染治理提供了新思路。

　　

随着全球农药使用量持续增长（2020年仅美国就消耗40.78万吨除草剂），敌草隆（DCMU）和草甘膦（GLY）等除草剂通过农业径流进入水体，在20个欧洲国家河流中检出浓度高达0.826 μg/L，其代谢产物AMPA（氨甲基膦酸）更被列为有毒化合物。传统吸附剂如沸石、矿物等存在成本高、效率低等问题，而全球每年6000万吨橙类加工产生50-60%的果皮废弃物，其高有机质含量（975 g/kg干物质）为制备环保吸附剂提供了理想原料。

为开发高效吸附材料并实现废弃物资源化，研究人员通过一步热解结合CO₂物理活化（Boudouard反应）的创新工艺，分别采用常规电阻炉（PRW75/LM）和微波炉（Phoenix，1400W）在800℃下制备活性炭OFC800和OFM800。通过SEM、BET比表面积分析、FTIR光谱等技术系统表征材料特性，并考察其对DCMU和GLY的吸附性能。

3.1 材料特性表征
常规加热制备的OFC800虽比表面积（263 m²/g）略低于微波产物OFM800（266 m²/g），但XPS分析显示其特有C-OH基团。van Krevelen图显示所有材料H/C比（0.01-0.06）和O/C比（0.25-0.35）均符合欧洲生物炭认证标准，预示其环境应用稳定性。

3.3 除草剂吸附机制
在pH 6条件下，OFC800对DCMU（中性分子）的吸附以疏水作用和π-π相互作用为主导，而对带负电的GLY则通过静电吸引。Elovich模型拟合显示DCMU吸附速率常数α达9.753-20.277 mg·g^-1·min^-1，远高于GLY（0-0.569）。值得注意的是，常规加热材料吸附性能优于微波产物，打破"高比表面积必然高效"的常规认知。

3.4 聚合物调控效应
阳离子聚丙烯酰胺（CtPAM）通过静电络合使GLY吸附量提升至4.66 mg/g（初始浓度10 mg/L时吸附率93.25%），且三次解吸实验显示其能完全抑制GLY释放（0%解吸）。FTIR证实CtPAM的季铵基团与活性炭表面形成氢键，而阴离子聚丙烯酰胺（AnPAM）因电荷排斥使GLY解吸率升至89.55%。

3.7 生态安全性验证
水芹（Lepidium sativum）发芽实验表明，含0.05 g OFC800的提取液使幼苗鲜重增加64%，GI（发芽指数）在2 mg/L GLY体系中达95.3%。尽管10 mg/L DCMU仍抑制种子萌发（RSG 62%），但活性炭显著缓解了GLY的植物毒性。

该研究开创性地通过一步CO₂活化实现农业废弃物高值转化，所制备材料对复合污染体系展现出独特调控能力。特别是CtPAM与活性炭的协同作用，为设计"吸附-固定"双功能材料提供了新范式。研究结果发表于《Food and Bioproducts Processing》，对发展绿色修复技术和推动循环经济具有重要实践意义。