介孔生物炭吸附2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)的密度泛函理论解析与机制研究

本研究针对水体中难降解除草剂2,4-D的污染问题，通过H3PO4活化紫檀树荚生物炭(PPC)构建高效吸附体系。结合BET表征(1147.71 m2/g)、Freundlich模型和DFT计算，揭示其302.66 mg/g的吸附容量及物理主导的π-π/静电作用机制，为农业污染治理提供理论指导与技术支撑。

　　

随着现代农业的快速发展，除草剂2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)的广泛使用导致水体污染问题日益严峻。这种高效廉价的苯氧类除草剂具有持久性强、生物降解性低的特点，常规水处理技术对其去除效率有限，通过食物链富集后可能引发内分泌干扰和致癌风险。更棘手的是，2,4-D分子中的氯原子和羧基使其具有特殊的电子结构，传统吸附材料往往难以实现高效捕获。如何开发兼具高吸附容量和明确作用机制的环保材料，成为环境工程领域的重要课题。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究团队创新性地利用紫檀树(Pterocarpus pterocarpum)荚果为原料，通过磷酸(H₃PO₄)活化和600℃热解制备介孔生物炭(PPC)，结合实验表征与密度泛函理论(DFT)计算，系统解析了其对2,4-D的吸附机制。相关成果发表在《South African Journal of Chemical Engineering》上，为农业面源污染治理提供了新材料设计思路。

研究团队采用多尺度技术手段：通过BET测定比表面积和孔径分布，FESEM-EDS联用分析表面形貌与元素组成，FTIR和XPS表征表面官能团；采用动力学和热力学模型拟合吸附过程；利用Gaussian 16软件进行B3LYP/6-31G(d,p)水平的DFT计算，获取HOMO-LUMO能级等量子化学参数；最后通过NaOH洗脱实验评估材料再生性能。

【3.1 PPC表征】
FESEM显示PPC具有丰富的介孔结构(平均孔径2.87 nm)，BET测得超高比表面积达1147.71 m²/g。XRD在24.54°出现石墨碳(002)晶面衍射峰，FTIR检测到C=O(1550 cm^-1)和-OH(3594 cm^-1)等关键官能团。XPS证实了磷掺杂成功(P-C/P-O键)，TGA显示800℃下仍保持80%重量，体现优异热稳定性。

【3.2 吸附性能】
在pH=2时取得最佳吸附效率(90.38%)，Langmuir模型计算最大吸附量达302.66 mg/g，显著高于文献报道的玉米芯(37.4 mg/g)和甘蔗渣(57.19 mg/g)生物炭。PSO动力学模型(R²=0.985)和Freundlich等温线(R²=0.9936)表明该过程符合多层物理吸附，ΔH°=9.43 kJ/mol证实其吸热特性。

【3.4 DFT解析】
ESP图谱显示2,4-D羧基区域电荷分布不均，HOMO(-6.2608 eV)与LUMO(-0.6226 eV)主要定位于苯环。大能隙(5.6382 eV)和低亲电指数(2.1009)说明其低化学反应活性，结合偶极矩(3.4417 D)数据，证实吸附主要依靠π-π堆积和静电作用，与实验结论高度吻合。

【3.5 再生性能】
0.1 M NaOH洗脱4次后仍保持66.5%去除率，SEM显示再生后孔结构保持完整，证明材料具有良好的工程应用潜力。

这项研究通过"材料设计-实验验证-理论计算"三位一体的研究策略，首次阐明了紫檀生物炭与2,4-D的弱相互作用机制。其创新性体现在：1) 开发出比表面积超1140 m²/g的廉价生物炭；2) 通过DFT计算揭示了低极性污染物的吸附规律；3) 为农业废弃物高值化利用提供了范例。该材料在修复农药污染水体方面具有显著成本优势，每克可处理约300 mg 2,4-D，且再生简便，对发展中国家具有特殊意义。未来研究可进一步优化孔隙结构和表面化学性质，提升对多种苯氧类除草剂的协同去除能力。