榴莲果皮和果核制成的生物炭在去除水中的亚甲蓝方面表现出高效性能：合成方法、特性分析及吸附性能研究

《RSC Advances》：Durian peel–seed biochar for efficient methylene blue removal from water: synthesis, characterization, and adsorption performance

吸附材料开发与性能优化研究。通过热解-水热联合工艺制备榴莲壳-种子活性炭BDSS，其比表面积达441.71 m2/g，碘值589 mg/g。实验表明BDSS对MB的最大吸附容量136.99 mg/g，符合Langmuir、Freundlich等多模型特征，吸附过程呈现伪二级动力学特征，并建立准确（R>0.99）的ANN预测模型。研究证实BDSS通过静电作用、氢键、π-π堆积及电子供体-受体等多机制协同吸附，且经三次再生后仍保持53.74%吸附效率，兼具环境友好与资源再利用优势。

　　### 深度解读：从榴莲壳和种子制备的活性炭对甲基蓝吸附的研究

在当前的环境治理领域，染料污染已成为废水处理中的一个严峻挑战。甲基蓝（Methylene Blue, MB）作为一种广泛应用于纺织、印刷、皮革鞣制和纸张制造等行业的合成阳离子染料，因其高度稳定的分子结构、良好的水溶性和卓越的染色能力，常在工业废水中检测到显著浓度。MB的释放不仅导致水体颜色变化，还可能引发一系列生态和健康问题。例如，它会抑制水生植物的光合作用，减少溶解氧，干扰正常的生态链。对人类而言，长期接触MB可能导致呼吸系统损伤、恶心、呕吐、头痛，甚至严重时引发失明和神经系统损伤。更近期的研究还表明，MB具有潜在的基因毒性和致癌性。因此，MB的高效去除成为当前环境治理中亟需解决的问题。

在众多处理方法中，吸附技术因其高去除效率、低成本、操作简便、无有毒副产物以及吸附剂的可回收性而受到广泛关注。其中，利用农业废弃物制备的吸附材料不仅有助于减少农业废弃物对环境的负担，还为废水处理提供了可持续的解决方案。榴莲壳和种子因其高碳含量和丰富的化学成分，被视为潜在的生物质资源。研究表明，榴莲壳和种子中主要含有纤维素、半纤维素、木质素以及一些有机化合物。其中，纤维素占比较高（约47%），其次是半纤维素和木质素，各占约10%。这些物质的高碳含量使得榴莲壳和种子成为合成生物基吸附剂的理想原料。

本研究通过两步法（热解和水热处理）从榴莲壳和种子中合成活性炭（BDSS）。首先，将榴莲壳和种子在有限氧条件下热解，生成生物炭。然后，将生物炭与活化剂（如酸、碱或盐）混合，并再次进行热处理，以形成具有有序多孔结构的活性炭。热解过程中的温度控制和活化剂的选择对活性炭的性能至关重要。通过热解和水热处理，BDSS表现出显著的多孔结构，其比表面积达到441.71 m2/g，碘数为589 mg/g，零电荷点（pH_pzc）为6.47。这些物理和化学特性表明，BDSS具有良好的吸附性能。

吸附实验揭示了BDSS对MB的吸附能力。实验发现，MB的吸附过程符合Langmuir等温线模型，最大吸附容量达到136.99 mg/g。同时，吸附过程遵循伪二级动力学模型，且为自发且吸热反应。这表明，MB在BDSS表面的吸附不仅发生在均质表面，还涉及异质表面的多种吸附机制，包括静电相互作用、氢键作用、π-π相互作用、电子供体-受体相互作用以及孔隙填充。这些机制的结合使得BDSS对MB的吸附具有较高的效率。

此外，本研究还引入了人工神经网络（ANN）模型，以预测BDSS在不同条件下的吸附性能。经过优化，ANN模型包含五个输入变量（pH、接触时间、吸附剂用量、初始MB浓度和温度）、一个隐藏层（11个神经元）和一个输出神经元，其预测准确度高达R > 0.99。实验结果表明，初始MB浓度对吸附效率的影响最为显著，其次是温度、吸附剂用量、接触时间和pH。ANN模型的建立不仅有助于理解吸附行为，还为实际应用中的参数优化提供了重要工具。

在实验过程中，研究人员对多个操作参数进行了系统研究，包括pH、接触时间、吸附剂用量和温度。结果显示，pH对MB的吸附效率影响较小，这可能是由于MB在广泛pH范围内仍保持其正电荷状态。吸附效率在接触时间达到60分钟时基本稳定，表明此时已达到吸附平衡。吸附剂用量增加时，MB的去除效率也随之提高，但增幅有限，说明表面活性位点的增加并不完全弥补MB浓度的提升。温度的升高虽然提高了吸附效率，但MB在高温下的溶解性增强，使得其在溶液中的稳定性提高，从而减少了吸附。因此，最佳吸附温度被确定为303 K（30°C）。

从材料的可重复使用性来看，BDSS在三次重复使用后仍能保持53.74%的吸附能力，这表明其具有良好的循环利用潜力。这一特性对于降低长期处理成本和减少环境负担至关重要。此外，研究人员还探讨了吸附后废料的处理策略，包括热再生、化学或溶剂再生以及将其固定在建筑材料中。这些方法不仅能够恢复吸附剂的性能，还能确保废料的安全处理，减少二次污染的风险。

在材料表征方面，研究人员利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）等手段对BDSS的物理和化学特性进行了深入分析。SEM图像显示，BDSS具有高度多孔的结构，而EDS分析表明其碳含量较高，氧含量较低。FT-IR光谱进一步揭示了BDSS表面的化学官能团，如羟基（–OH）、羧酸盐（–COO^?）和羰基（CO）等，这些官能团在吸附过程中可能通过静电相互作用、氢键作用和π-π相互作用等机制与MB分子发生作用。XRD和拉曼光谱分析则表明，BDSS主要由无定形碳组成，但也具有一定程度的石墨化结构。

从热力学分析来看，MB在BDSS上的吸附过程为自发且吸热反应。计算得到的ΔG°值为负，表明吸附在热力学上是可行的。ΔH°为正，进一步确认了该过程的吸热性。ΔS°值的正数表明吸附过程中系统的无序性增加，这可能与水分子的释放和MB分子与吸附剂表面的相互作用有关。这些结果表明，MB的吸附不仅受到物理作用的驱动，还涉及化学作用，这为吸附机制的深入研究提供了理论支持。

此外，研究人员还探讨了吸附机制，认为MB在BDSS上的吸附涉及多种相互作用，包括静电作用、氢键作用、π-π相互作用、电子供体-受体相互作用和孔隙填充。这些相互作用的结合使得BDSS能够高效去除MB。研究还提出了一种可能的吸附机制图示，描述了MB分子通过内外扩散进入BDSS内部的路径，并进一步探讨了其与表面官能团的相互作用。

综上所述，本研究成功地从榴莲壳和种子中合成了具有优异吸附性能的活性炭（BDSS），其比表面积、多孔结构、零电荷点等特性均表明其在废水处理中的应用潜力。通过实验和模型分析，研究人员揭示了MB在BDSS上的吸附行为，并验证了其在不同操作条件下的性能。BDSS的高吸附效率、良好的可重复使用性和环境友好性，使其成为一种具有广泛应用前景的吸附材料。同时，人工神经网络模型的引入为吸附过程的预测和优化提供了有力工具，有助于推动该技术在实际工程中的应用。