利用天然低pH值强化工业废水中2,4-二氯苯氧乙酸去除：炭黑吸附与资源回收策略

针对酸性工业废水中2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）难降解问题，研究人员提出基于天然低pH的炭黑（CB）吸附与废碱资源化协同处理策略。研究发现，pH=2时未改性CB通过氢键、静电及路易斯酸碱相互作用实现14 mg/g吸附容量，结合废碱中和可降低27%全球变暖潜能值（GWP）和35%成本，为酸性废水处理提供可持续解决方案。

　　

在农业和家庭除草剂广泛使用的背景下，2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）的污染问题日益严峻。这种人工合成的植物生长调节剂，虽在作物增产中发挥重要作用，却因其高水溶性（33,900 mg/L）和持久性（半衰期15-312天）成为水体污染的"隐形杀手"。更棘手的是，2,4-D生产过程中产生的废水pH低至1.0，含有高浓度污染物（2,4-D达6000 mg/L），传统处理需消耗大量中和试剂且产生二次污染。现有纳米吸附材料如Fe₃O₄@SiO₂-NH₂虽效率达97.96%，但需调节pH至中性并涉及复杂制备工艺，与可持续发展理念背道而驰。

针对这一难题，泰国国家研究理事会资助的研究团队另辟蹊径，提出"以废治废"的创新思路：利用废水本身的酸性条件，采用废轮胎热解炭黑（CB）直接吸附，最后用废弃氢氧化钠（NaOH）中和。这种策略不仅规避了传统工艺的化学消耗，更将两种废弃物转化为治污资源。

研究团队通过对比未改性CB与3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）改性CB的性能差异，结合生命周期评估（LCA）和成本分析，系统考察了技术可行性。实验采用动态光散射（DLS）表征CB粒径（110-1100 nm），傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实吸附过程中羧基（-COOH）与2,4-D的氢键作用，X射线光电子能谱（XPS）则揭示了路易斯酸碱相互作用机制。

物理化学特性分析
SEM显示CB颗粒平均直径200 nm，但易团聚成1400 nm聚集体（图2a）。比表面积（BET）测定为235 m²/g，孔径集中在2-5 nm（图2c），这种介孔结构为2,4-D提供了理想吸附位点。零电荷点（pH_PZC）测定为3.8，说明pH=2时CB表面带正电，与带负电的2,4-D（pK_a=2.73）产生强静电吸引。

吸附性能优化
在pH=2、CB剂量4.5 g/L条件下，未改性CB达到最大吸附量14 mg/g，较中性条件提升3倍。动力学分析符合伪二级模型（R²>0.99），表明化学吸附主导过程。等温线拟合显示Freundlich模型更适合（n=1.55），暗示多层吸附特征。FTIR谱图中1720 cm^-1处羧基峰位移证实氢键形成，而Cl 2p XPS谱结合能变化则证明氯原子参与配位作用。

环境经济评估
尽管APTES改性CB在pH=4时吸附量达50.8 mg/g（提高3.63倍），但LCA显示其全球变暖潜能（GWP）比未改性方案高27%。这主要源于硅烷化过程消耗的能源（约58 kWh/kg CB）和新鲜NaOH生产（1.2 kg CO₂-eq/kg）。采用废碱中和后，未改性方案总成本降低35%，每吨废水处理费仅21美元。

这项研究的意义在于突破了酸性废水必须中和处理的思维定式，开创性地将废水特性转化为处理优势。通过揭示氢键-静电-配位协同作用机制，为设计低成本吸附材料提供理论指导。更重要的是，该方案每处理吨废水可减少4.8 kg CO₂排放，实现了"污染物去除-资源循环-碳排放削减"的三重效益，完美诠释了循环经济在环境治理中的应用范式。论文成果发表于《Journal of Water Process Engineering》，为发展中国家处理高酸度有机废水提供了可复制的技术模板。