核桃木质部衍生微管束结构活性炭高效快速吸附亚甲基蓝的性能与机制研究

针对印染废水中有毒染料难降解问题，新疆理工学院团队以核桃修剪废弃物为原料，通过预碳化-KOH活化两步法制备具有三维互联微管束结构的活性炭（WXAC）。该材料具有超高比表面积（3116 m2/g）和丰富的含氧官能团，对亚甲基蓝（MB）展现出卓越吸附容量（1015.29 mg/g）和快速动力学（125.8 mg/(g·min)），为农林废弃物高值化利用及废水治理提供新策略。

　　

随着纺织印染工业的快速发展，全球每年生产超过10万种有机染料，其中约20%最终进入废水，对水生生态系统构成严重威胁。亚甲基蓝（MB）作为典型的吩噻嗪类阳离子染料，因其化学稳定性和抗降解特性，成为难处理污染物的代表。传统废水处理方法难以有效去除这类污染物，而商业活性炭（AC）又面临化石原料依赖和成本高昂的问题。在此背景下，如何将丰富的农林废弃物转化为高效吸附材料，成为环境领域的研究热点。

新疆理工学院（Xinjiang Institute of Technology）能源与储能技术新疆重点实验室的研究团队另辟蹊径，从"中国核桃之乡"温宿县采集核桃修剪残枝，利用其独特的木质部天然微管束结构，成功制备出具有分级多孔结构的活性炭（WXAC）。这项发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究，通过创新的两步法活化工艺，不仅实现了农林废弃物的高值转化，更创造出性能超越商业产品的吸附材料。

研究团队首先采用预碳化工艺在500℃下稳定核桃木质部的三维骨架，随后通过精确控制的KOH活化-蚀刻在800℃下构建多级孔道。综合运用BET比表面积分析、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等技术证实，所得WXAC完美保留了植物先天的微管束网络，同时形成超高的比表面积（3116 m²/g）和孔容积（1.69 cm³/g）。特别值得注意的是，材料表面11.6%的氧含量和丰富的羧基/羟基官能团，为污染物吸附提供了多重结合位点。

在吸附性能研究中，WXAC对MB展现出惊人的1015.29 mg/g吸附容量，这一数值达到多数商业活性炭的2-3倍。更令人印象深刻的是其吸附速率——初始5分钟内即可完成125.8 mg/(g·min)的快速捕获。通过系统的机理分析，研究人员揭示了多重协同作用路径：微孔主导的物理吸附（pore confinement）、含氧基团参与的氢键作用、π-π堆叠相互作用以及静电吸引共同构成了"立体捕网"。动力学和等温线模型分析进一步证实，该过程符合伪二级动力学和Redlich-Peterson模型，表明单层与多层吸附并存的自发放热过程。

这项研究的创新价值不仅体现在材料性能的突破，更在于其完整的生态循环理念。新疆阿克苏地区16.5万公顷核桃林每年产生约49.5万吨修剪废弃物，传统焚烧处理既污染环境又浪费资源。该技术为农林废弃物资源化提供了可复制的技术范式——每公顷核桃园可制备约1.8吨高性能活性炭，按当前市场价格计算可创造显著经济收益。

在环境应用层面，WXAC经过三次再生循环后仍保持75%以上的去除效率，展现出良好的工程应用前景。研究人员特别指出，这种保留生物模板结构的活性炭，其微管束网络可作为"分子高速公路"加速污染物扩散，这一发现为设计下一代高效吸附材料提供了新思路。正如通讯作者孙丹（Dan Sun）在讨论部分强调的，该工作"通过精确的孔隙工程实现了从农业副产物到高性能吸附剂的转化"，为解决染料污染与资源短缺的双重挑战提供了双赢方案。