可持续水合脱盐技术热力学评估：从盐水中高效回收锂与生产淡水的创新研究

推荐：本研究针对水体铅污染治理难题，开发了氮硫共掺杂蓝藻生物炭（NSBAC）电极材料，通过电容去离子（CDI）技术实现Pb2+高效去除（30.42 mg/g），循环稳定性达93.1%。DFT计算揭示N/S协同掺杂增强吸附机制，为重金属废水处理提供绿色解决方案。

　　

随着工业发展加剧，铅污染已成为全球水环境治理的严峻挑战。铅酸电池制造、采矿等行业排放的含Pb²⁺废水，不仅威胁生态系统，更会通过生物富集损伤人体神经系统。传统处理方法如化学沉淀、离子交换等存在成本高、再生性差等瓶颈。电容去离子（CDI）技术因其能耗低、操作简便等优势崭露头角，但其核心电极材料的性能限制仍是关键难题。

针对这一挑战，中国某高校（根据CRediT声明推测为中央院校）的研究团队创新性地利用太湖蓝藻——这种通常造成生态危害的固氮藻类，通过一步热解法制备出氮硫共掺杂生物炭（NSBAC）。该材料在CDI系统中展现出卓越的Pb²⁺吸附能力（30.42 mg/g）和93.1%的循环稳定性，相关成果发表于《Desalination and Water Treatment》。研究通过密度泛函理论（DFT）计算首次阐明，相比单一氮掺杂，N/S协同作用能产生更多边缘氮位点和结构缺陷，从而显著提升材料性能。

关键技术方法包括：1）以太湖蓝藻为前驱体，结合KOH活化和硫脲掺杂的一步热解工艺；2）扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）表征多级孔结构；3）电化学测试评估比电容（270.69 F/g）和CDI性能；4）DFT计算分析吸附机制。

【材料表征】
SEM/TEM显示NSBAC具有独特的分级孔隙（比表面积1535.68 m²/g），硫脲分解产生的气体剥离作用形成丰富活性位点。X射线光电子能谱（XPS）证实材料中存在吡啶氮、硫醇等多种活性基团。

【CDI性能】
在1.2 V电压、100 mg/L Pb²⁺浓度条件下，NSBAC的吸附容量达30.42 mg/g，远超传统生物炭材料。pH实验表明酸性环境更利于Pb²⁺去除，因H⁺竞争减少。

【机制阐释】
DFT计算揭示：1）边缘氮位点与Pb²⁺的强静电相互作用；2）硫掺杂增强的电荷密度差使吸附能降低；3）N/S共掺协同效应使电荷重新分布，形成更多吸附活性中心。

这项研究实现了"以废治废"的可持续发展理念：将生态危害的蓝藻转化为高性能吸附材料，不仅为重金属废水处理提供新思路，更开创了藻类资源化利用的新途径。NSBAC材料兼具低成本（原料易得）和高稳定性（10次循环保持93.1%效率）的优势，具有显著的工程应用价值。该工作通过分子层面机制解析，为多元素掺杂碳材料设计提供了理论指导，推动CDI技术在水处理领域的实际应用。