采用回收聚苯乙烯泡沫制备的纳米磁赤铁矿修饰碳微球，用于吸附去除4-硝基苯酚

《Materials Chemistry and Physics》：Nanomaghemite-decorated carbon microspheres from recycled polystyrene foam for adsorptive removal of 4-nitrophenol

利用废弃聚苯乙烯制备铁氧化物沉积的活性炭微球，通过热解-活化-沉积三步法，成功实现4-硝基苯酚高效吸附，吸附量达85-170 mg/g，吸附模型符合Langmuir和Freundlich类型，并验证了磁性分离的可行性。

　　

Sandra B. Aguirre | Jassiel R. Rodriguez | Andrei Simakov | Jossette Cruz | W. De La Cruz | Balter Trujillo | Rosa-Maria Felix | Eunice Vargas

下加利福尼亚自治大学建筑工程与设计学院，墨西哥恩塞纳达，BC 22860

摘要：

通过一种简单的三步法（热解、活化及氧化铁沉积），成功地合成了低成本活性炭微球，这些微球以废弃的膨胀聚苯乙烯为原料，其中一部分含有氧化铁，用于吸附4-硝基苯酚。所得活性炭微球具有较短的有序结构，平均粒径为4.50 μm ± 1.61 μm；而沉积的氧化铁则以磁赤铁矿纳米颗粒的形式存在，平均粒径为13.6 nm ± 3.6 nm。在pH=5.5、温度30°C的条件下，通过UV-Vis光谱技术研究了不同浓度（5-200 ppm）的4-硝基苯酚溶液的吸附行为。Fe₂O₃/WEPAC和WEPAC样品的吸附能力分别为85 mg/g和170 mg/g，其吸附模型符合PSO、Langmuir和Freundlich类型。离体XPS分析显示吸附后氧化铁发生了变化。此外，Fe₂O₃/WEPAC材料对磁场具有敏感性，这有助于其在实际应用中从水溶液中分离出来。本研究展示了低成本材料的简便合成方法及其在环境保护方面的潜在应用价值。

引言

全球范围内淡水资源日益紧张，而水污染问题因对生态系统和生物健康的严重影响而备受关注[1]。因此，人们投入了大量努力进行水污染治理，从而推动了相关知识和技术的发展[2]。新型纳米结构材料的研发为去除水中的污染物提供了有效策略，例如活性炭（AC）、过滤器、沸石和陶瓷[3, 4]。活性炭因其高比表面积、良好的吸附性能及易于操作的特点而被广泛用作有毒物质（如重金属和芳香化合物）的吸附剂[5]。传统上，活性炭通常通过化学前驱体合成，但最近人们开始探索利用废弃材料（如生物质、废弃物和石油副产品）作为新的原料来源，这种方法具有提高材料价值、减少污染、增加可用性和降低成本的优势[6]。膨胀聚苯乙烯（EPS）虽然常被用作一次性食品容器或包装材料[7]，但由于其体积庞大、密度低，回收成本高昂，导致环境污染严重[8]。然而，EPS可作为合成活性炭的廉价碳源，因为其主要成分（碳）占比高达92%[9]。Kiran等人[10, 11]指出，塑料的热解可产生元素碳及汽油、柴油等挥发性副产品，为塑料回收提供了新途径。活性炭的合成通常包括两个步骤：前驱体在600-1000°C下的热处理（碳化），随后通过化学活化（如ZnCl、HCl、KOH、NaOH或H₃PO₄）调整其结构和性能，以适应吸附、支撑和能源应用[12-14]。研究表明，化学活化能显著提升活性炭的比表面积和孔隙体积[15]。此外，活性炭还可通过添加其他元素、颗粒或化合物来改进其对多种有毒物质的吸附效果[16-18]，或赋予其新的功能（如磁性纳米颗粒，便于通过磁场分离[19, 20]。

另一方面，多种化学物质、生物质和环境废弃物也被研究作为高效吸附4-硝基苯酚（4-NP）的原料。Dhorabe等人[21]利用橙皮制备了比表面积为540 m²/g的活性炭，其在初始浓度C₀=50 mg/L、吸附时间t=1 h时的吸附能力为q_t=44 mg/g；álvarez等人[22]使用桃核制备的活性炭比表面积为401-152 m²/g，对4-NP的吸附能力为q_t=35 mg/g；Wasilewska等人[23]发现商用活性炭（比表面积900 m²/g）对4-NP的吸附效果良好，吸附量为21 mg/g。然而，关于废弃EPS制备的活性炭在吸附亚甲蓝、二苯并噻吩和有机染料方面的研究较少[24, 25]。

本研究提出了一种利用废弃膨胀聚苯乙烯制备低成本、高吸附容量的4-硝基苯酚吸附剂的方法，该吸附剂具有磁性，便于吸附后分离。通过系统的紫外-可见光谱分析证实，活性炭及氧化铁改性的吸附剂符合Freundlich和Langmuir吸附模型。同时，通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）研究了样品表面特性，以深入理解相关现象。

材料与反应物

实验所用原料为废弃的膨胀聚苯乙烯，以及来自Sigma Aldrich公司的以下试剂：丙酮（96%）、柠檬酸铁铵（98%）、肼溶液（35% wt.）、KOH颗粒（99%）、HCl溶液（36%）和4-硝基苯酚（99%）。

活性炭的合成

活性炭微球的合成过程如图1所示。首先收集废弃的膨胀聚苯乙烯（WEPS）并清洗，然后将其浸入丙酮中去除空气和杂质。

物理化学表征

图2展示了不同分辨率下通过扫描电子显微镜（SEM）观察到的废弃膨胀聚苯乙烯衍生活性炭的图像。由于聚苯乙烯经过热解处理，SEM图像显示其由球形微粒组成（图2a），这符合合成过程的特点[28, 30]。高分辨率SEM图像（HR-SEM，图2b）显示微球形态几乎完美呈球形，表面光滑。

结论

本文报道了一种低成本、高均匀性的活性炭微球（平均粒径约4 μm）的合成方法，该方法利用废弃膨胀聚苯乙烯作为前驱体，在RAPET条件下通过热解实现。KOH活化显著提升了活性炭的比表面积（580 m²/g）和孔隙尺寸（12.5 ?和18.5 ?）。Fe₂O₃的改性进一步增强了其吸附性能。

作者贡献声明

Sandra Beatriz Aguirre：负责撰写、审稿与编辑、项目统筹、数据分析、概念构建。 Eunice Vargas：负责撰写、审稿与编辑、监督及概念构建。 Balter Trujillo：负责概念构建。 Wencel De La Cruz：负责数据分析。 Andrey Simakov：负责数据分析。 Rosa Maria Félix：负责数据分析。 Jassiel Rodriguez：负责撰写、审稿与编辑、资金筹集及数据分析。 Jossette Cruz：负责数据分析。

未引用文献

[25]; [31]; [34]; [35]; [37]; [44]

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢EPM-SECIHTI和CICESE提供的财务支持。