印尼长柄糖棕束活性炭的合成及其作为高效重金属吸附剂的应用研究

《Journal of Renewable Materials》：Synthesis and Application of Activated Charcoal from Indonesian Sugar Palm Bunches ( Arenga longipes) as a Potential Absorbent for Heavy Metals

本研究针对水体中铅(Pb)和铜(Cu)等重金属污染问题，通过热活化法从印尼糖棕(Arenga longipes)束中成功合成了活性炭(AC)。表征结果显示700°C活化温度下制备的SPB-AC具有最大比表面积(323.34 m2/g)和微孔结构，对Pb和Cu的吸附率分别达到91.61%和95.19%，为农林废弃物高值化利用和重金属污染治理提供了新技术方案。

　　

随着工业化和城市化进程的加速，水体重金属污染已成为全球性环境挑战。铅(Pb)和铜(Cu)等重金属离子通过工业废水、交通排放等途径进入水环境，不仅破坏生态系统平衡，更通过生物富集作用威胁人类健康。传统水处理技术如混凝、絮凝、生物降解等虽有一定效果，但吸附法因其成本低、操作简便等优势被视为最具应用前景的解决方案。其中，活性炭(Activated Charcoal, AC)以其巨大的比表面积和丰富的孔隙结构，成为吸附技术中的明星材料。

近日，来自北苏门答腊大学林业学院的Luthfi Hakim等人在《Journal of Renewable Materials》发表研究，创新性地利用印度尼西亚特有植物——长柄糖棕(Arenga longipes)的果束(Sugar Palm Bunches, SPB)为原料，通过精确控制的热活化工艺成功制备出高性能活性炭，并系统评估了其对重金属离子的吸附效能。这项研究不仅为农林废弃物的资源化利用开辟了新途径，也为重金属污染治理提供了新材料选择。

研究团队采用多学科交叉的技术方法开展系统研究。通过热重分析(TGA)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征材料热稳定性和官能团变化，利用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，采用BET法测定比表面积和孔径分布，借助扫描电镜-能谱联用(SEM-EDX)观察表面形貌和元素组成，最后通过原子吸收光谱(AAS)和Langmuir吸附模型定量评估重金属吸附性能。

3.1. 重量损失和工业分析

研究人员发现随着活化温度从500°C升至800°C，SPB-AC的重量损失逐渐增加(1.15g至2.04g)，水分含量从0.30%降至0.13%。700°C处理样品的固定碳含量最高(99.06%)，挥发分含量最低(0.76%)，表明该温度下材料碳化程度最为完善，为高效吸附奠定了结构基础。

3.2. SPB-AC中的官能团

FTIR光谱分析显示，未活化样品在3615-3861 cm^-1处存在O-H伸缩振动峰，而经过高温活化后该峰消失，表明高温处理破坏了表面含氧官能团。2661 cm^-1处的-CH醛基伸缩振动和2325 cm^-1处的O=C=O伸缩振动表明高温处理促进了氧元素的脱除，有利于提高材料吸附活性。

3.3. SPB-AC的热降解

热重分析将SPB-AC的热降解过程分为四个阶段：150°C以下的水分蒸发、150-260°C的分子热解、260-600°C的物理吸附物降解和600°C以上的化学吸附物降解。700°C处理的样品表现出最优的热稳定性，600°C时重量损失仅10.80%，显著低于未处理样品的25.75%。

3.4. SPB-AC的结晶度指数

XRD分析表明，高温处理显著改变了材料的晶体结构。700°C活化样品的结晶度指数最低(23.14%)，表明其无定形区域比例最高，这种结构特性有利于增强吸附质在材料内部的扩散和吸附。

3.5. SPB-AC的表面形貌

SEM图像清晰展示了温度处理对材料微观结构的影响。未活化样品细胞壁较厚且完整，而随着温度升高，细胞壁逐渐变薄并出现裂缝和孔洞。700°C处理样品表面杂质最少，孔隙结构最为发达，为重金属离子提供了丰富的吸附位点。

3.6. 比表面积

BET测试结果显示，700°C活化样品的比表面积最大(323.34 m²/g)，微孔体积最高(0.14 cm³/g)，平均粒径最小(18.56 nm)。氮气吸附-脱附等温线显示材料主要以微孔为主，并含有少量中孔，这种多级孔结构有利于重金属离子的传输和吸附。

3.7. 扫描电镜-能谱联用分析

EDX分析证实高温处理显著提高了材料碳含量，700°C时碳含量达到91.5%，而未处理样品仅为72.6%。同时，氧含量从16.4%降至6.9%，表明高温处理有效去除了表面含氧基团，增强了材料的疏水性和吸附性能。

3.8. SPB-AC的吸附能力

吸附实验结果表明，700°C活化样品对Pb和Cu的最大吸附容量(X_m)分别达到759.40 mg/g和789.09 mg/g，显著高于其他温度处理样品。Langmuir模型拟合优度(R²)均大于0.95，表明吸附过程主要为单分子层化学吸附。

本研究通过系统优化活化温度，成功阐明了SPB-AC微观结构与吸附性能之间的构效关系。700°C被确定为最佳活化温度，该条件下制备的活性炭具有适宜的孔结构、高比表面积和丰富的表面特性，对Pb和Cu表现出卓越的吸附能力。研究不仅为糖棕束的高值化利用提供了技术支撑，也为开发低成本、高效率的重金属吸附剂奠定了理论基础，对水环境保护和可持续发展具有重要意义。未来研究可进一步探索SPB-AC在实际废水处理中的应用潜力，并优化再生使用性能，推动其从实验室向工程化应用迈进。