冷等离子体活化与再生核桃壳增强水中污染物吸附性能的研究

为解决工业染料废水污染问题，研究人员采用高压纳秒脉冲驱动的介质阻挡放电(DBD)反应器对核桃壳(WS)进行冷等离子体活化，并利用等离子体气泡反应器实现吸附饱和后的再生。研究发现空气和氧气等离子体活化使亚甲基蓝(MB)去除率分别提升至98.1%和95.3%，最大吸附容量从89.2 mg/gWS增至175.2 mg/gWS。该技术具有高能效(900 gWS/kWh)和环境友好特性，为生物吸附剂的可持续利用提供了创新方案。

　　

合成染料在纺织、造纸等行业的广泛应用导致水体污染日益严重，其中亚甲基蓝(MB)等阳离子染料对生态环境和公共健康构成重大威胁。传统吸附处理方法面临吸附剂再生困难、二次污染等问题，而生物质吸附剂虽成本低廉但存在吸附容量有限等缺陷。如何通过绿色高效的方式提升生物吸附剂性能并实现循环利用，成为环境治理领域亟待解决的关键问题。

来自希腊的研究团队在《Journal of Environmental Sciences》发表创新研究，开发了基于冷大气等离子体(CAP)的核桃壳(WS)活化与再生系统。研究人员采用高压纳秒脉冲驱动的平面介质阻挡放电(DBD)反应器进行WS活化，并通过等离子体气泡(PB)柱反应器实现吸附剂再生。关键技术包括：使用三种不同气体(空气、氧气、氩气)进行等离子体活化；通过Brunauer-Emmett-Teller(BET)分析、X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征材料特性；建立吸附动力学和等温线模型；采用等离子体气泡技术进行多轮吸附-再生循环实验。

【材料表征与活化效果】
XPS分析显示等离子体处理显著提高了材料表面氧碳比(O/C)，空气和氧气等离子体活化的WS表面含氧官能团增加50%。BET测试表明比表面积变化微小(0.927-1.026 m²/g)，证实吸附增强主要源于化学改性而非物理结构变化。zeta电位测量显示等离子体处理使表面负电荷增加，空气活化WS在pH5时电位达-24.1 mV，显著高于原始WS的-16.6 mV。

【吸附性能提升】
空气等离子体活化5分钟使MB去除率从43.7%跃升至98.1%，吸附容量从89.2 mg/g_WS提升至175.2 mg/g_WS。Freundlich等温模型(R²>0.95)和伪二级动力学模型(R²>0.997)表明该过程为多层化学吸附。在40 mg/L MB浓度下，最佳吸附剂用量为0.5 g/L，接触时间4小时即可达到93.7%去除率。

【再生机制与循环利用】
等离子体气泡再生效率达100%，显著优于Fenton氧化(44.4%)。ATR-FTIR显示再生后MB特征峰(1590 cm^-1等)基本消失。经过四次吸附-再生循环，再生WS的MB去除率仍保持95.5%，且再生能耗仅10 Wh/g_WS。液相检测到·OH(21.02 mg/L)、NO₃^-(15 mg/L)等活性物质，证实了污染物降解机制。

该研究创新性地将等离子体技术同时应用于生物吸附剂的活化和再生，解决了传统吸附技术中材料消耗大、再生困难等瓶颈问题。空气作为等离子体工作气体既保证效果又降低成本，900 g_WS/kWh的能效指标显示出良好的工程应用前景。这种方法不仅为染料废水处理提供了可持续解决方案，其"表面修饰-吸附-原位再生"的技术路线也可拓展至其他污染物治理领域，具有重要的环境工程应用价值。