一步法热化学活化废木材制备微污染物吸附剂：基于实验设计的优化研究

为解决废水处理中活性炭(AC)可持续生产难题，奥地利MCI–The Entrepreneurial School的研究团队创新性地采用CO2/H2O一步活化废木材(WW)，通过实验设计优化获得比表面积达708 m2 g-1、吸附容量254 mg g-1的AC，为欧盟城市污水处理指令(2045年80%去除率目标)提供经济高效的解决方案。

　　

随着欧盟《城市污水处理指令》要求2045年前实现80%有机微污染物(OMPs)去除率，传统废水处理厂(WWTPs)面临严峻挑战。现有活性炭(AC)多源自不可再生的褐煤，而每年欧洲堆积的4270-5770万吨废木材(WW)因重金属污染难以回收利用。这一矛盾促使奥地利MCI–The Entrepreneurial School（因斯布鲁克企业家大学）Josef Ressel研究中心团队开展创新研究，通过一步热化学活化将废料转化为高效吸附剂，成果发表于《Cardiovascular Revascularization Medicine》。

研究采用流体化床反应器，结合实验设计(DoE)方法系统优化温度(750-900°C)和停留时间(0-30分钟)。关键技术包括：1) CO₂/H₂O单步及序贯活化工艺；2) BET比表面积分析结合NLDFT孔径分布计算；3) 六种OMPs(苯并三唑/卡马西平等)吸附实验；4) FTIR和SEM-EDS表征表面官能团；5) 基于Freundlich/Langmuir模型的吸附机制解析。

【3.1 活化工艺优化】

CO₂活化在804°C/19.8分钟时获得583 m² g^-1比表面积，而H₂O活化在887°C/25.9分钟达708 m² g^-1。序贯活化(H₂O 12.5分钟+CO₂ 5分钟)实现130 m² g^-1的绝对比表面积，较单独活化提升14%。

【3.2 吸附性能】

H₂O活化AC吸附量(253.7 mg g^-1)是CO₂活化(74.6 mg g^-1)的3.4倍。FTIR揭示其关键优势在于羧基官能团(2350 cm^-1特征峰)，EDS证实其表面氧含量(16.82%)显著高于CO₂活化样品(12.72%)。

【3.2.3 实际废水验证】

在含COD 25.8 mg L^-1的真实废水基质中，H₂O活化AC仍保持125.1 mg g^-1吸附容量，且对COD去除率达54%，远超商用AC(5%)。

【3.2.4 吸附-脱附循环】

CO₂活化AC经三次循环后吸附量提升56.7%，展现优异再生潜力，而H₂O活化AC因官能团损耗性能下降15.9%。

该研究开创性地证明废木材一步活化可制备高性能AC，其H₂O活化工艺的吸附容量达商用AC的90%。通过序贯活化策略将总停留时间缩短至18.8分钟，为欧盟每年百万吨级废木材资源化提供可行路径。研究不仅满足《欧洲绿色新政》污染防控要求，更通过"以废治污"模式推动循环经济发展，对实现2045年污水处理目标具有重要实践意义。