Valorizing used cigarette filters into porous carbons by sustainable K2CO3 activation for cationic dyes adsorption的中文标题为：通过可持续K2CO3活化将废弃卷烟滤嘴转化为多孔碳用于阳离子染料吸附

《Results in Engineering》：Valorizing used cigarette filters into porous carbons by sustainable K 2CO 3 activation for cationic dyes adsorption

　　

在染料吸附领域，同时实现超高吸附容量与超快吸附动力学仍是一个重大挑战。本文中，研究人员通过可持续的K₂CO₃活化技术，在优化条件（800°C，2 h，15 wt% K₂CO₃浓度）下将废弃卷烟滤嘴资源化转化为多孔碳，并将所制备的CPCK-800用于阳离子染料的吸附。该材料具有1472.1 m²/g的高比表面积和0.770 cm³/g的孔容。其三维蜂窝状多孔结构， coupled with丰富的含氧官能团（氧含量高达22.29 wt%），促进了对三种典型阳离子染料的优异吸附。记录的吸附容量分别达到亚甲基蓝（MB）1648.7 mg/g、罗丹明B（RhB）和孔雀石绿（MG）各3431.4 mg/g，显著超越了近年来报道的经复杂改性或活化处理的某些“超级”生物炭。值得注意的是，在100 mg/L浓度下仅10分钟即实现了99.8%的吸附效率，而在400 mg/L浓度下仅5分钟内即记录了1227.2 mg/g的高吸附容量。这些定量动力学数据，结合创纪录的高吸附容量，表明CPCK-800在满足实际高浓度染料废水处理对停留时间和吸附容量的严格要求方面具有巨大潜力。机理研究表明，化学和物理相互作用协同促进了MB在CPCK-800上的吸附，如孔填充、氢键作用、静电吸引、π-π及n-π相互作用。总之，凭借优异的抗干扰性能、再生性能和普适性，CPCK-800作为处理实际染料废水的吸附剂显示出巨大前景。

**废弃卷烟滤嘴的高值化利用：K₂CO₃活化制备多孔碳及其阳离子染料吸附性能研究解读**

**研究背景与科学问题**

造纸、塑料、纺织、制药、化妆品及皮革等工业的快速发展，导致大量有机合成染料的使用与排放。含染料废水的无差别排放会降低水体光合作用活性、破坏生态系统，并因其毒性与致癌性威胁人类健康。在废水排放前有效去除这些有害染料分子至关重要，然而有机染料废水不仅产生量大、浓度高，且染料分子结构复杂稳定，难以自然降解。传统的混凝沉淀、化学氧化和生物处理等技术往往难以将其彻底去除。相较之下，吸附法因成本低、操作简单、适用性广、可再生循环利用且不产生有害二次污染物等优势，被广泛视为去除废水中染料的有效且具前景的技术。此外，活性炭在去除重金属、抗生素及药物残留等方面亦展现出卓越性能，凸显了其作为吸附剂的多功能性。

将富含碳的废弃物（如农业生物质、工业副产物、城市固废）转化为用于染料废水处理的高价值碳基产品，是“以废治废”和“资源循环”的典范。目前主要的活化方法包括物理活化与化学活化。化学活化虽能制得超高比表面积和孔隙率的多孔碳，吸附性能通常远超物理活化产品，但常用活化剂（尤其KOH）强腐蚀性强，对设备、安全和环境构成严重威胁，严重制约其工业应用。因此，探索绿色活化剂与更环保的活化技术，对于弥合实验室与工业规模化制造之间的差距至关重要。与KOH相比，K₂CO₃是更温和的碱性化合物，毒性低、腐蚀性弱，且能保持前驱体原始形貌、获得更高活化产率，符合“绿色化学”原则和工业化生产需求。

**研究目的与思路**

基于上述背景，Xiaodong Huo、Yongwei Wang、Zhiyu Wang、Zhonghui Wang等研究人员以废弃卷烟滤嘴（UCF）为前驱体，采用K₂CO₃作为活化剂，通过一步热退火策略制备活性炭样品，系统考察制备条件与吸附条件对亚甲基蓝（MB）去除性能的影响，通过多种表征分析阐明吸附机理，并通过脱附-再吸附实验评估再生性能，通过添加水溶液中常见阳离子（Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）测定抗干扰性能，同时评估其对罗丹明B（RhB）和孔雀石绿（MG）等其他阳离子染料的普适性，旨在为废弃卷烟滤嘴的高值化利用提供新途径，并开发适用于实际高浓度染料废水处理的高效吸附剂。

**主要关键技术方法**

研究人员以中国内蒙古昆明卷烟有限责任公司生产的同品牌滤嘴（SWEET&BEAUTIFUL）为模型原料，手工去除残余烟草颗粒和外层纸包装后干燥备用。采用K₂CO₃活化一步热退火策略制备活性炭。材料表征运用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、元素分析及N₂吸附-脱附等温线等技术。吸附实验采用批量平衡法，在恒温振荡器中进行，并用紫外-可见分光光度计测定残留浓度。动力学数据采用准一级（PFO）、准二级（PSO）和颗粒内扩散模型拟合；等温线数据采用Langmuir和Freundlich模型拟合；热力学参数通过lnK_c对1/T作图计算。同时开展共存离子干扰、循环再生及多种染料吸附实验。

**研究结果与讨论**

**3.1 批次吸附实验**

**3.1.1 制备条件的影响** 系统研究了制备温度、保温时间和K₂CO₃浓度的影响。在K₂CO₃浓度20 wt%、保温2 h条件下，温度从600°C升至800°C，去除率和吸附容量从40.13%和196.7 mg/g显著提升至100%和499.8 mg/g；但继续升至900°C性能略降，归因于过度活化和孔结构坍塌。K₂CO₃浓度与吸附性能呈火山型关系，20 wt%为最优。保温时间从0延至2.0 h，去除率从50.8%升至98.3%，吸附容量从725.7升至1403.4 mg/g（初始浓度300 mg/L时）；2.5 h则因过活化导致结构坍塌而性能下降。最终确定最佳制备参数为800°C、2 h、20 wt% K₂CO₃，所得产物命名为CPCK-800。

**3.1.2 吸附条件的影响** 在吸附剂剂量0.2 g/L条件下，MB浓度从100增至500 mg/L，吸附容量从497.5增至1609.5 mg/g，但去除率从100%降至67.6%，归因于位点数限制。在400 mg/L下，吸附剂剂量从0.2增至0.3 g/L时去除率从82.5%升至98.4%，但继续增至0.5 g/L仅再升1.6%，而吸附容量从1571.4 mg/g大幅降至784.3 mg/g。pH从3.0升至10.0时，去除率和吸附容量分别达到92.3%和1758.1 mg/g。基于pH_PZC为5.21，pH 3.0时表面质子化带正电，与阳离子MB竞争干扰，但容量仍达998.1 mg/g，表明非静电机制（如孔填充和氢键）重要作用；pH 10.0时表面负电荷增强静电吸引。

**3.2 吸附动力学** 吸附在初始5分钟内快速进行，100至400 mg/L浓度下容量从486.7增至1227.2 mg/g。较高初始浓度延长了平衡时间：100、200、300 mg/L分别为10、30、60分钟，而400 mg/L在90分钟内未达平衡。PSO模型（R²>0.999）较PFO模型更可靠，计算容量与实验数据吻合更好，表明化学吸附机制，吸附速率取决于可用活性位点数量的平方。颗粒内扩散模型显示多阶段过程（表面扩散、颗粒内扩散和平衡阶段），低浓度时外部活性位点充足，直接进入平衡阶段。qt对t^1/2图偏离原点，表明总体动力学由表面扩散和颗粒内扩散协同控制。

**3.3 吸附等温线** 298 K下Langmuir模型拟合更好（R²=0.998），理论最大吸附容量q_max=1637.1 mg/g与实验值1659.5 mg/g接近，表明单层均质吸附；318 K下Freundlich模型拟合更优，兼有多层吸附贡献。1/n值0.04197（n=23.81）表明CPCK-800与MB之间极强的亲和力和吸附强度。分离因子R_L接近零（0.0008-0.0021），表明吸附不仅有利且不可逆。与文献报道的多种碳基吸附剂相比，CPCK-800的q_max显著超越许多高性能吸附剂。

**3.4 热力学研究** 所有浓度下ΔG°均为负值，证实吸附过程自发可行。ΔH°从300 mg/L时的69.28 kJ/mol降至700 mg/L时的2.44 kJ/mol，表观活化能E_a从71.76 kJ/mol降至4.92 kJ/mol，表明吸附机制具有浓度依赖性：低浓度下化学吸附占主导（ΔH°>40 kJ/mol，E_a>40 kJ/mol），高浓度下物理吸附为主。正ΔS°值反映吸附过程中固-液界面无序度增加，归因于MB分子置换吸附剂表面的水分子。

**3.5 材料表征**

**3.5.1 XRD和拉曼测试** XRD显示CPC-800在23°和44°有两个宽衍射峰，对应石墨(002)和(100)面，并可见纳米TiO₂特征峰；K₂CO₃活化后，CPCK-800中(002)峰变宽表明碳层剥离和堆叠丢失，(100)峰弥散指示无序结构，低角衍射增强指示微孔丰富，TiO₂峰消失表明活化过程有效去除无机残留。拉曼光谱中D带和G带分别位于1350和1580 cm^-1，CPCK-800的I_D/I_G比（3.06）高于CPC-800（2.50），表明缺陷更多、石墨化程度更低，有利于提供更多比表面积和结合位点。

**3.5.2 样品织构性质** N₂吸附-脱附等温线为IV型，兼具微孔和中孔。CPCK-800的S_BET和V_tol分别达1472.11 m²/g和0.7702 cm³/g，远高于CPC-800的530.58 m²/g和0.3106 cm³/g。V_mic/V_tol升至48.47%，平均孔径从2.332 nm降至1.922 nm，表明活化诱导介孔坍塌和微孔形成。

**3.5.3 形貌分析** SEM显示原始CPC-800表面光滑、几乎无孔隙；活化后CPCK-800呈现由交联三维纳米片组成的丰富蜂窝状形貌，表面粗糙蓬松，有利于染料分子的扩散和存储。EDS结果确认表面仅含C和O，无K、Ti等杂质元素，表明简单酸碱洗涤即可彻底去除副产物，工艺环保简便。

**3.5.4 FT-IR分析** 活化前后官能团类型基本一致，但含氧基团强度有波动。CPCK-800中-OH（3200-3600 cm^-1）、脂肪族C-H（2800-3000 cm^-1）、C=O（约1700 cm^-1）和C-O（1000-1100 cm^-1）强度均高于CPC-800，表明活化有效增加表面官能团位点；芳香族C=C和C-H减少，与拉曼和XRD结果一致，指示石墨化程度降低和缺陷密度增加。

**3.6 吸附机理** 吸附后S_BET和V_tol从1472.11 m²/g和0.7702 cm³/g骤降至324.18 m²/g和0.1952 cm³/g，微孔面积和体积大幅减少，孔径从1.922扩至2.304 nm，证明孔填充机制占主导。静电作用在pH>pH_PZC时是关键驱动力。FT-IR显示吸附后出现C-N⁺（约1320和1380 cm^-1）、C-N（约1220 cm^-1）和C-S（约610和1100 cm^-1）新特征峰；-OH伸缩带增强并向高波数迁移，表明表面-OH基团与MB胺/杂原子位点形成氢键；C=O基团通过氢键、静电作用及n-π相互作用多种途径参与吸附；C-O信号减弱表明其参与氢键或静电直接相互作用。

**3.7 离子干扰抵抗、再生性与普适性实验** 所有共存阳离子（Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）对MB去除均呈正效应，吸附容量随离子浓度增加而相应提升。其机制包括Fuoss效应（中和MB负电荷基团，减小分子尺寸并增加疏水性）、阳离子中和缓解已吸附MB与游离MB间的斥力，以及盐析效应降低MB溶解度。二价阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺）的促进作用强于单价离子（Na⁺、K⁺）。在1.0 M NaCl溶液中吸附容量从无盐时的1571.4 mg/g增至1782.8 mg/g。再生实验中，首次循环后容量从1571.4降至1493.3 mg/g，此后趋于稳定，5次循环后仍保持1403.9 mg/g。普适性实验中，在700 mg/L初始浓度和0.2 g/L吸附剂剂量下，对MB、RhB和MG的吸附容量分别达1648.7、3431.4和3431.4 mg/g。

**研究结论**

本研究通过绿色K₂CO₃活化热解策略，成功以废弃卷烟滤嘴制备出碳材料CPCK-800。该材料具有独特的三维蜂窝结构、1472.1 m²/g的比表面积和22.29 wt%的氧含量，对MB、RhB和MG的最大吸附容量分别达到1648.7 mg/g、3431.4 mg/g和3431.4 mg/g。在100 mg/L初始浓度下10分钟内去除率达99.8%，在400 mg/L下5分钟内吸附容量达1227.2 mg/g。其强抗干扰能力（1.0 M NaCl溶液中保持>1400 mg/g）、优异的再生性能（5次循环后保持1403.9 mg/g）和普适性，使其成为废水修复领域颇具前景的吸附剂。然而，目前研究仅聚焦于单染料批次系统，未能充分模拟常含多种染料和金属离子的工业废水复杂实际情况。因此，未来应在连续流装置中使用实际工业废水评估材料性能，确保实际应用的可行性。该研究为废弃卷烟滤嘴的高值化利用提供了创新途径，开发的CPCK-800材料在高效处理实际染料废水方面展现出显著的应用潜力。论文发表于《Results in Engineering》。