壳聚糖改性石墨化生物炭中氮相关官能团在吡虫啉吸附中的作用机制：含氮污染物去除的新见解

为解决水体中吡虫啉(IMI)等含氮污染物去除效率低的问题，研究人员通过二次热解法合成氮掺杂石墨化生物炭(NBC900)，系统探究其吸附行为与机制。该材料展现出140.1 mg·g?1的高吸附容量和97.2%的去除率，揭示了吡啶-N与羰基(C=O)的Lewis酸碱相互作用新机制，为含氮污染物治理提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着新烟碱类杀虫剂在农业和城市环境中的广泛应用，吡虫啉(IMI)等含氮污染物在水体中持续累积，其高水溶性和环境持久性导致传统污水处理工艺效率低下。流行病学研究更将孕期IMI暴露与无脑畸形、自闭症谱系障碍等健康风险相关联，亟需开发高效去除技术。东北农业大学持久性有毒物质国际联合研究中心(IJRC-PTS)的研究团队通过创新性二次热解策略，将壳聚糖作为氮源与白瓜子壳生物炭复合，成功构建了具有分级孔结构的氮掺杂石墨化生物炭(NBC900)，为解决这一环境健康难题提供了新思路。

研究采用元素分析(EA)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)、比表面积分析(BET)、X射线光电子能谱(XPS)等表征技术，结合吸附动力学、等温线和热力学实验，系统评估了材料性能。通过实际水样测试和再生实验验证了工程应用潜力。

3.1 不同材料的吸附性能比较

NBC900在900°C热解温度下展现最优性能，其吸附容量(140.1 mg·g^?1)远超NBC500和NBC700，归因于高温促进的氮官能团形成和石墨化程度提升。

3.2 材料表征

SEM显示高温热解形成网络状裂纹结构，EDS证实氮元素均匀分布。XRD和拉曼光谱证实石墨碳(111)晶面存在，ID/IG比值降低表明N掺杂减少缺陷。XPS解析出吡啶-N(398.1 eV)、吡咯-N(400.1 eV)和石墨-N(401.2 eV)三种氮形态，其中吡啶-N含量随温度升高从51.7%降至23.3%，揭示了氮形态转化规律。

3.3 吸附动力学

准二级动力学模型(R²>0.996)表明化学吸附主导，颗粒内扩散模型显示NBC900的速率控制步骤为内扩散，初始吸附速率达2.9264 mg·g^?1·min^?1。

3.4 吸附等温线

Langmuir模型(R²=0.9921)拟合表明NBC900为单层吸附，KL=0.3491证实吸附过程易于进行。

3.5 热力学分析

ΔH=60.414 kJ·mol^?1、ΔG<0和ΔS>0证实吸附为自发的吸热熵增过程，化学吸附特征显著。

3.6-3.8 环境适应性

NBC900在pH 2-11范围内保持稳定性能，对Ca²⁺/Mg²⁺干扰表现出强耐受性。虽腐殖酸(HA)会使吸附容量从9.723降至3.028 mg·g^?1，但热解再生三次后效率仍达94.4%。

3.9 吸附机制

研究创新性揭示多尺度作用机制：物理过程依赖介孔(2-5 nm)填充；化学过程以π-π相互作用为主导，特别是石墨化结构与IMI氯吡啶环的电子转移。关键发现是吡啶-N作为Lewis碱与IMI的-NO₂基团(Lewis酸)发生特异性相互作用，FT-IR中C=O(1633 cm^?1)和C=N(1653 cm^?1)峰衰减证实该过程。

该研究突破传统生物炭改性技术的局限，通过简化壳聚糖修饰工艺，创制出兼具高吸附容量(140.1 mg·g^?1)和优异环境适应性的NBC900材料。分子水平上阐明的氮官能团作用机制，特别是吡啶-N/-NO₂的Lewis酸碱相互作用，为含氮污染物吸附剂的理性设计提供了新范式。发表于《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》的这项成果，不仅为IMI污染治理提供实用技术，更拓展了生物炭在持久性有毒物质(PTS)控制领域的应用前景。