咖啡壳衍生ZnO/水热炭协同吸附-光催化体系高效去除水体咖啡因的研究

针对水体中持久性污染物咖啡因的治理难题，哥伦比亚Medellín大学团队创新性地利用咖啡壳废料制备ZnO/水热炭复合材料（HZnO-0.4），通过吸附-光催化协同机制实现5-10 mg·L-1浓度下90-100%去除率。该研究为农业废弃物资源化与高级氧化技术结合提供了范例。

　　

随着全球每年消费超过10万吨咖啡因，这种生物碱通过代谢排泄进入水体后，不仅会引发鱼类行为异常和水生植物生长抑制，更在饮用水系统中检出高达192 μg·L^-1的残留。传统水处理工艺对这类新兴污染物束手无策，而咖啡加工产生的巨量咖啡壳（仅5%咖啡果被利用）又造成新的环境负担。面对双重挑战，哥伦比亚安蒂奥基亚大学材料影响研究组（Grupo de investigación Materiales con Impacto, Universidad de Medellín）的Valentina Ospina-Montoya等学者在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，开创性地将这两种环境问题转化为协同解决方案。

研究团队采用水热合成法（Hydrothermal synthesis）一体化制备ZnO/水热炭复合材料，通过X射线荧光光谱（XRF）和热重分析确定咖啡壳最佳碳化条件，利用紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测定材料能带结构。关键发现包括：当水热炭含量达40.6 wt.%时（HZnO-0.4），材料带隙降至3.11 eV，在pH=6、0.6 g·L^-1投加量条件下，对5 mg·L^-1咖啡因的吸附率高达96.5%；低剂量（0.3 g·L^-1）时光催化贡献率提升至52%，通过电子顺磁共振（EPR）检测到单线态氧（¹O₂）和超氧自由基（·O₂^-）主导降解过程；循环实验证实材料保持稳定纤锌矿结构（Wurtzite phase）。

【材料与试剂】
咖啡壳取自哥伦比亚圣巴巴拉农场（5°52'29.5"N），经850 μm筛分后，与硝酸锌和尿素在水热反应釜中180℃反应12小时，获得系列HZnO-x材料。

【咖啡壳表征】
热分析显示咖啡壳挥发分77.2 wt.%，灰分仅0.5 wt.%，XRF检测到67.9 wt.%氧化钙（CaO）富集，为ZnO晶核生长提供矿质模板。

【结论】
研究构建了"吸附富集-光催化降解"双功能体系：水热炭的酚羟基通过π-π作用捕获咖啡因分子，ZnO纳米棒（Nanorods）在UV激发下产生ROS，将污染物分解为羟基化产物和开环化合物。这种"以废治废"策略不仅实现咖啡因完全矿化，更开创了农业废弃物增值利用新途径，为发展中国家低能耗水处理技术开发提供范式。