机械研磨与H3PO4活化比对Ficus nitida衍生活性炭吸附性能的影响

《Sustainability》：Effect of Mechanical Grinding and H3PO4 Activation Ratio on the Adsorption Performance of Ficus nitida-Derived Activated Carbon

　　

活性炭是一种高孔隙率吸附材料，常通过物理与化学吸附用于废水处理。将农业与城市生物质废弃物转化为活性炭，是替代商业吸附剂的低成本可再生方案，并可避免园林修剪废弃物填埋或露天焚烧。研究人员探究了研磨与未研磨Ficus nitida叶片对模拟水溶液中罗丹明B（RhB）染料与总铬的吸附能力，采用磷酸（H3PO4）在不同浸渍比（1:1、2:1、4:1）下进行化学活化，制得研磨组G1–G3与未研磨组UG1–UG3。吸附实验表明，最高活化比样品（G3、UG3）性能最优，20分钟内分别去除92%与94% RhB；24小时后G3对铬去除率达73.31%（残余13.35 ppm），其吸附动力学符合准二级模型（R2 > 0.98），提示存在化学作用与物理吸附协同，UG3对RhB的等温线符合Langmuir模型（R2 > 0.95）。提高活化比与研磨提升了碳含量（G3达90% C）、表面官能团及织构性质（BET比表面积699 m2/g，总孔容3.06 cm3/g）。五次循环再生实验显示G3保持优良可回收性，RhB与总铬去除率分别维持80.5%与50.2%。结果表明，Ficus nitida叶基活性炭可作为高效、经济、可重复使用的吸附剂用于可持续环境修复与水质净化，并推动废弃物管理循环经济。

研究背景方面，水资源污染由重金属与有机染料无序排放引发，其中六价铬（Cr(VI)）毒性为三价铬500倍，罗丹明B（RhB）具致癌与神经毒性且难生物降解，传统商业活性炭成本高。园林修剪产生大量Ficus nitida枯叶，富含木质纤维素却未被用作吸附剂。现有生物质活性炭研究少有系统比较叶片前处理（研磨与否）与H₃PO₄活化比如何共同影响单一木质纤维素前体的物化性质与脱污性能。研究人员据此首次将机械研磨与三种H₃PO₄活化比结合，以Ficus nitida叶为前体评价其对两类机制不同污染物（有机染料RhB与重金属铬）的去除能力，论文发表于《Sustainability》。

关键技术方法上，样本为2025年3月开罗大学农学院采集的Ficus nitida残叶，分未研磨与过0.3 mm筛研磨两组，分别以叶液比1:1、2:1、4:1用85 wt.% H₃PO₄浸渍2 h，60–65 °C烘干后于600 °C氮气流下炭化活化2 h，水洗至中性，110 °C干燥得UG1–UG3与G1–G3；设未活化对照L、LG、LC、LGC。吸附测试采用批次法，0.5 g吸附剂对100 mL 40 ppm RhB或50 ppm总铬（K₂Cr₂O₇源）震荡接触，RhB用紫外可见光谱测556 nm，铬用ICP-OES测，动力学拟合准一级/准二级，平衡数据拟合Langmuir/Freundlich等温线；材料表征含元素分析、FTIR、XRD、SEM及77 K氮吸附BET；再生选G3经5次循环，铬用0.1 M NaOH脱附，RhB用0.1 M HCl-50%乙醇脱附。

研究结果部分，3.1节RhB吸附显示4:1比样品（G3、UG3）20分钟去除率92%与94%，脱色最快，主导因素为活化比，研磨为污染物依赖型次要因素。3.2节铬去除中G3在24 h达73.31%（残13.35 ppm），UG3为71.83%，对照未活化样仅3%–13%；动力学服从准二级（R²>0.98），等温线Langmuir优于Freundlich（R²>0.95），表明单分子层吸附为主，铬去除含孔内扩散与表面化学作用。3.3节对比文献生物质活性炭，G3作为广谱吸附剂同时优化铬与RhB去除，归因于H₃PO₄引入含氧酸基与磷酸酯。3.4节元素分析示活化比升高增碳减杂，G3碳含量90%高于UG3的87%，研磨促酸渗透。3.5节FTIR证实高比样品富羟基（O-H）、羰基（C=O）、羧基（-COOH）及磷酸键（P-O-C、P=O），RhB靠π–π与氢键，铬靠质子化位点静电吸引与含氧/磷基团还原Cr(VI)至Cr(III)络合。3.6节XRD示样品均非晶，UG2（002）峰宽散，UG3/G3峰窄右移，层间距减小、类石墨堆叠增强但保留缺陷开口。3.7节SEM与BET表明G3比表面积699 m²/g、孔容3.06 cm³/g、平均孔径17.5 nm，UG3为656 m²/g、2.3 cm³/g、14 nm，UG2最差；氮吸附为IV(a)型带H3滞回，介孔连通，研磨扩孔降传质阻。3.8节再生中G3五循环后RhB去除80.5%、铬50.2%，衰减源于强化学吸附物种脱附不全与孔堵。

讨论与结论翻译：本研究明确Ficus nitida废叶制活性炭可处理Cr(VI)与RhB废水，4:1活化比（G3、UG3）获最佳物化与吸附性能，G3铬去除73.31%、RhB 92%，UG3相应71.83%与94%；动力学准二级、等温线Langmuir，表征证高孔隙、非晶碳与富氧官能团协同实现铬离子交换与RhB静电/π–π吸附。该法以城市绿化废叶为原料、G3可五代再生，成本低且契合循环经济，支持SDG 6与SDG 12，适用于分散式或资源受限水处理。