来自落叶层的吸附脱硫性能分级磁性生物炭对柴油和轮胎热解油中二苯并噻吩的去除效果

《Journal of Molecular Liquids》：Adsorptive desulfurization performance hierarchical magnetic biochar from leaf litter for dibenzothiophene of diesel and tire pyrolysis oil

吸附脱硫中，基于叶 litter 炼制的新型 hierarchic 微孔-介孔磁性生物炭（HMBC-LL）在模型柴油（MD）中表现出134.14 mg/g的DBT吸附能力，其动力学符合伪一级模型，等温线显示Langmuir和Temkin双重特征，热力学证实过程自发且放热。但复杂基质如轮胎裂解油（TPO）中性能下降，归因于基质复杂性及吸附位点竞争。研究验证了废物流源化制备高效磁性吸附剂在燃料清洁化中的潜力，为多孔材料开发提供新思路。

　　本研究聚焦于一种新型的吸附脱硫材料——基于叶屑的分级微介孔磁性生物炭（Hierarchical Micro-Mesoporous Magnetic Biochar from Leaf Litter, HMBC-LL），用于去除燃料中的硫化合物，尤其是二苯并噻吩（Dibenzothiophene, DBT）。随着全球对清洁能源和可持续发展的重视，燃料脱硫技术在减少环境污染和提高能源效率方面发挥着关键作用。传统脱硫方法如加氢脱硫（Hydrodesulfurization, HDS）虽然在工业上广泛应用，但其过程通常需要高温、高压和大量氢气输入，这不仅增加了能耗，还带来了较高的成本。因此，开发一种高效、低成本且环境友好的脱硫方法成为研究的热点。

吸附脱硫（Adsorptive Desulfurization, ADS）作为一种替代方案，因其操作条件温和、无需氢气输入以及对特定硫化合物的高度选择性而受到广泛关注。近年来，研究者们通过材料创新和工艺优化不断推动ADS技术的发展。例如，金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）和多孔有机聚合物（Porous Organic Polymers, POPs）等新型吸附材料被广泛用于去除燃料中的硫化合物，显示出高达99%的脱硫效率。然而，这些材料往往面临成本高、合成复杂以及再生困难等问题，限制了其在工业中的应用。

为了解决这些问题，研究团队提出了一种基于叶屑的新型吸附材料——HMBC-LL。叶屑作为一种常见的生物质废弃物，具有丰富的碳含量和较低的灰分，是制备高性能生物炭的理想原料。此外，叶屑在碳化过程中可以形成天然的分级孔结构，这为吸附小分子如DBT提供了优越的物理条件。为了进一步增强其吸附能力，研究团队采用了一种原位共沉淀技术，将纳米磁铁矿颗粒嵌入到生物炭的孔隙结构中，从而赋予材料磁性，便于后续的吸附材料回收和再利用。

在实验过程中，团队通过一系列优化措施，包括铁离子的摩尔比、叶屑的用量、碳化温度和反应时间，成功制备了HMBC-LL。研究结果表明，在最佳条件下，HMBC-LL在模型柴油（Model Diesel, MD）中的DBT去除能力达到了134.14 mg/g，显著高于许多已报道的基于生物炭的吸附材料。这一结果展示了HMBC-LL在燃料脱硫领域的巨大潜力。然而，在实际应用中，如处理轮胎热解油（Tire Pyrolysis Oil, TPO）时，HMBC-LL的性能有所下降，这主要归因于TPO复杂的组成结构以及DBT与其他化合物之间的竞争吸附现象。

为了深入理解HMBC-LL的吸附机制，研究团队还对吸附过程的热力学、动力学和等温吸附行为进行了系统分析。动力学研究表明，DBT的吸附过程符合伪一级动力学模型，表明吸附速率受多步扩散机制控制。等温吸附分析则显示，HMBC-LL的吸附行为符合Langmuir和Temkin模型，这表明其具有单层吸附和非均质表面吸附的双重特性。热力学评估进一步确认了该吸附过程是自发且放热的，说明在常温常压下即可实现高效的DBT去除。

此外，研究团队还对吸附条件进行了详细探讨，包括接触时间、DBT浓度、pH值、温度和吸附剂用量等因素对脱硫效率的影响。通过实验和模拟，他们发现吸附时间、DBT浓度和pH值对吸附效果具有显著影响，而温度和吸附剂用量则对吸附容量起决定性作用。这些发现不仅有助于优化吸附脱硫工艺，也为未来开发更高效的脱硫材料提供了理论依据。

从材料的角度来看，HMBC-LL的制备过程相对简单，且使用了低成本的叶屑作为原料，这使其在经济性和可持续性方面具有明显优势。与传统材料相比，其不需要昂贵的活化剂或复杂的后处理步骤，大大降低了生产成本和工艺难度。同时，磁性特征使得该吸附材料在使用后能够通过外部磁场轻松分离，提高了其在实际应用中的可行性。

在环境方面，利用叶屑制备HMBC-LL不仅减少了农业废弃物的堆积，还为生物炭的规模化生产提供了新的思路。通过将废弃物转化为有价值的吸附材料，该研究体现了循环经济的理念，有助于实现资源的高效利用和环境的可持续发展。这种从废弃物中提取高附加值材料的策略，不仅有助于缓解环境压力，还为其他类型的生物质废弃物的资源化利用提供了借鉴。

在工业应用层面，HMBC-LL的高吸附能力和良好的可回收性使其成为一种极具前景的燃料脱硫材料。特别是在处理复杂燃料矩阵如TPO时，尽管其吸附性能受到一定影响，但通过进一步的材料改性和工艺优化，仍有可能实现更高效的脱硫效果。此外，研究团队还提到，通过结合吸附脱硫与过程优化技术，如人工神经网络（Artificial Neural Networks, ANN）和响应面法（Response Surface Methodology, RSM），可以进一步提高脱硫过程的效率和预测准确性，为实现工业级脱硫提供新的技术路径。

综上所述，本研究不仅成功开发了一种新型的吸附脱硫材料，还通过系统的实验和理论分析揭示了其吸附机制。HMBC-LL的高吸附容量、良好的可回收性和环境友好性使其在燃料脱硫领域具有广阔的应用前景。该成果不仅为解决传统脱硫方法的高能耗和高成本问题提供了新的解决方案，也为推动绿色能源技术和可持续发展提供了重要的理论支持和技术基础。未来，随着材料科学和环境工程的不断进步，类似基于生物质废弃物的吸附材料有望在更广泛的领域得到应用，为实现清洁燃料生产和环境保护目标做出更大贡献。