市政污泥衍生碳纳米材料对水中铅的高效吸附：实验评估与机制解析

本研究针对重金属污染治理难题，创新性地利用市政污水污泥(MSS)通过可控热解(800°C)和酸纯化制备碳纳米材料(CNM)，其BET比表面积提升20倍至20.76 m2/g，在pH=7、200 rpm条件下对10 ppm铅溶液去除率达99.4%。通过Langmuir模型和PSO动力学证实化学吸附主导的单层吸附机制，为污泥资源化与重金属治理提供双重解决方案。

　　

随着工业化和城市化进程加速，水体中铅(Pb²⁺)等重金属污染已成为全球性环境挑战。传统处理方法如化学沉淀法存在污泥产量大、离子交换树脂成本高等局限，而市政污水污泥(MSS)的处置同样面临填埋占地、焚烧产生二噁英等困境。在此背景下，如何将富含有机质的MSS转化为功能性材料，实现"以废治废"成为研究热点。

Gorgan大学的研究团队在《Results in Chemistry》发表的研究中，创新性地通过两阶段热解-酸洗工艺将MSS转化为具有规则晶体结构的碳纳米材料(CNM)。研究采用热重分析(TGA)、场发射扫描电镜(FESEM)和拉曼光谱等技术证实，经800°C热解和HF/HCl纯化后，材料孔隙率提升22.4倍，表面环氧基和羟基等官能团显著增加。吸附实验显示该CNM在pH=7、200 rpm条件下对10 ppm铅溶液的最大吸附容量达10.24 mg/g，且符合Langmuir单层吸附模型。

关键技术方法包括：(1) MSS在800°C氮气环境下4小时热解；(2) 氢氟酸和盐酸三步纯化工艺；(3) 采用ICP-MS测定铅浓度；(4) 通过伪二级动力学(PSO)和Van't Hoff方程解析吸附机制。研究团队建立了包含pH值(5-9)、搅拌速度(200-400 rpm)等多参数优化的Taguchi实验方案。

研究结果揭示：

1. 材料特性：酸纯化使CNM的BET表面积从1.02激增至20.76 m²/g，FTIR显示环氧基(C-O-C)和芳香C=C键是主要活性位点。XRD在28°处的(002)峰证实类石墨结构，拉曼光谱I_D/I_G=1.35表明适度缺陷有利于吸附。
2. 吸附性能：在3 g/L投加量下，铅去除率随pH升高至7时达峰值99.4%，但碱性条件(pH=9)因羟基竞争降至81.3%。动力学研究表明低浓度(5 ppm)符合伪一级模型(R²=0.971)，而高浓度(10-15 ppm)转为伪二级化学吸附(R²>0.984)。
3. 机制解析：ΔG°=-6.73至-11.73 kJ/mol证实自发过程，E_a=67.38 kJ/mol和ΔH°=67.38 kJ/mol表明吸热的化学吸附本质。XPS证实铅与表面含氧官能团形成配位键。

该研究实现了市政污泥的高值化利用，所开发的CNM相比传统活性炭制备成本降低60%，且解决了污泥处置的二次污染问题。研究团队特别指出，Gregion地区特有的粘土质土壤加剧了地下水污染风险，这使得本地化污泥转化技术更具现实意义。未来研究可拓展至镉(Cd²⁺)、铬(Cr⁶⁺)等多金属协同去除体系，并探索材料再生循环性能。这项工作为发展"废物-材料-治理"的闭环技术路线提供了重要范式。