亚甲蓝和四环素在氮掺杂棉秆基生物炭上的吸附及其机理研究

《BMC Chemistry》：Adsorption of methylene blue and tetracycline on nitrogen-doped cotton stalk-based biochar and mechanism research

　　

摘要

为了解决水中四环素（TC）和亚甲蓝（MB）污染这一紧迫问题，大多数关于棉秆基生物炭的研究都集中在优化工艺参数（如炭化温度和活化剂比例）上，而通过杂原子掺杂来调节材料表面化学性质的系统性研究较少。在本研究中，使用棉秆作为原料、三聚氰胺作为氮源，通过共热解制备了不同三聚氰胺/KOH/棉秆质量比（1:10:10、1:5:5和1:1:1）的氮掺杂生物炭（NKBC-10、NKBC-5和NKBC-1），并系统地阐明了氮掺杂对材料结构性质和吸附性能的协同作用机制。结果表明，NKBC-5具有优异的微孔-介孔结构（平均孔径为2.006纳米）和丰富的含氮表面官能团，在308.15 K时对TC的最大吸附容量为1328.636 mg/g，对MB的最大吸附容量为917.170 mg/g。吸附过程符合准二级动力学和朗缪尔单层吸附模型。其作用机制包括路易斯酸碱相互作用、π-π堆积、氢键作用和静电作用等多种协同效应。再生实验表明，经过四轮循环后，NKBC-5对TC和MB的吸附容量仍分别保持在初始值的91.26%和93.54%，显示出良好的稳定性。本研究采用氮掺杂策略，协同优化了棉秆基生物炭的孔结构和表面化学性质，为高效、可持续地修复受染料和抗生素污染的水体提供了新的材料设计理念和技术基础。