氮硫共掺杂蓝藻生物炭高效电容去除废水中Pb2+的机制研究及环境应用

针对重金属Pb2+污染治理难题，研究人员开发了基于有害蓝藻的氮硫共掺杂生物炭（NSBAC）电容去离子（CDI）电极材料。通过KOH活化与硫脲掺杂一步热解法，获得比表面积达1535.68 m2/g、Pb2+吸附容量30.42 mg/g的电极材料，DFT计算揭示N/S协同掺杂增强缺陷位点的作用机制，为"以废治废"提供新策略。

　　

随着工业发展带来的重金属污染日益严重，铅离子（Pb²⁺）作为典型污染物，通过采矿、电镀等行业废水进入水体，对神经系统造成不可逆损伤。传统处理方法面临成本高、再生性差等瓶颈，而新兴的电容去离子技术（CDI）虽具能耗优势，却受限于电极材料性能。更棘手的是，我国蓝藻水华产生的生态危害亟需资源化解决方案。

中央高校基本科研业务费专项资金支持的研究团队创新性地将有害蓝藻转化为氮硫共掺杂生物炭（NSBAC），通过KOH活化与硫脲掺杂的一步热解法制备CDI电极材料。研究采用SEM/TEM表征微观结构，BET测试比表面积，XPS分析元素组成，结合电化学测试与密度泛函理论（DFT）计算，系统评估其在Pb²⁺去除中的应用潜力，成果发表于《Desalination》。

材料制备与表征
以太湖蓝藻为前驱体，经KOH活化与硫脲掺杂热解获得NSBAC。表征显示其具有1535.68 m²/g的介孔结构，硫掺杂产生C-S-C键显著提升材料极性。

电化学性能
在0.5 A/g电流密度下展现270.69 F/g比电容，优于单掺杂样品。XPS证实边缘氮（吡啶N/吡咯N）占比达61.3%，硫以噻吩-S（41.7%）形式存在。

CDI性能
1.2V电压下对100 mg/L Pb²⁺的吸附容量达30.42 mg/g，10次循环后保持93.1%性能。pH实验表明酸性条件更利于Pb²⁺捕获。

DFT机制阐释
计算表明N/S共掺杂形成更高静电势差（ΔΦ=3.71 eV），Pb²⁺吸附能（-3.42 eV）显著强于单掺杂体系，电荷密度差分显示S原子提供额外结合位点。

该研究实现了"以废治废"的双重目标：既将生态危害严重的蓝藻转化为高附加值材料，又解决了铅污染治理难题。N/S协同掺杂策略为多杂原子改性碳材料提供了理论依据，所开发的NSBAC电极在保持93%再生率的同时，其30.42 mg/g的Pb²⁺吸附容量达到实用化水平。这项技术为重金属废水处理与生物质资源化开辟了新路径，尤其适合我国蓝藻爆发水域的综合治理需求。