废弃莲蓬制备可持续生物炭高效吸附氨基甲酸酯类农药残留

为解决氨基甲酸酯类农药（CMs）污染问题，研究人员用废弃莲蓬制备生物炭，其吸附性能良好，有望用于去除水中 CMs 残留。

　　

研究背景

在农业生产的大舞台上，氨基甲酸酯类农药（Carbamate pesticides，CMs）曾是备受瞩目的 “明星”。它能有效防治病虫害和杂草，为农作物高产保驾护航，大幅提升农业生产力。然而，随着时间的推移，它的 “阴暗面” 逐渐显露。长期大量使用 CMs 后，其在土壤中大量残留，像一个个潜伏的 “小恶魔”，通过各种途径迁移，不仅被植物吸收，还悄无声息地混入饮用水中。在全球多个国家和地区的饮用水样本里，都检测出了 CMs 的身影，比如涕灭威（aldicarb）和克百威（furadan）。这些残留的 CMs 对人类健康构成了严重威胁，与癌症、阿尔茨海默病、出生缺陷以及免疫系统问题等多种疾病紧密相关。

为了应对 CMs 污染的挑战，科研人员尝试了多种方法，如氧化法、电凝聚法和生物降解法等。但这些方法都存在各自的弊端，氧化法成本高昂，电凝聚法会产生金属离子造成二次污染，生物降解法又容易受环境干扰。在这样的困境下，吸附法凭借成本效益高、可再生和效率高的优势，成为了去除农药的热门选择。而生物炭吸附，更是被视为一种极具潜力的策略。生物炭是生物质在无氧条件下热解产生的富含碳的固体产物，它比表面积大、孔隙多且含有丰富的功能基团，具备强大的吸附能力。尤其是利用废弃的食物和农业废弃物制备生物炭，既能变废为宝，又能降低成本、保护环境。基于此，杭州师范大学药学院和杭州医学院药学院的研究人员，开展了用废弃莲蓬制备生物炭吸附 CMs 的研究，相关成果发表在《Heliyon》杂志上。

研究方法

研究人员开展了一系列实验。首先，收集了多种原材料，包括菠萝蜜壳、榴莲壳、荷叶和莲蓬，将其制成生物炭。通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线衍射（XRD）等多种技术对生物炭进行表征，以了解其表面形态、结构和功能基团。同时，进行吸附容量测试，研究不同吸附条件（如吸附剂用量、溶液温度、初始农药浓度）对生物炭吸附 CMs 的影响，还利用多种吸附动力学和等温线模型对实验数据进行拟合分析，探究吸附过程和机制。此外，通过吸附 - 解吸实验测试生物炭的回收性能，并在实际河水样本中评估其实际应用潜力。

研究结果

1. 最佳生物炭的筛选：对比四种生物炭对五种 CMs 的吸附效率，发现 LSPB 对其中三种农药的吸附能力最强，因此选择 LSPB 进行后续优化实验1。
2. LSPB 制备条件的优化：研究发现，LSPB 的产率在 16.14% - 60.95% 之间波动，受制备条件影响显著。当LSP/H3?PO4?质量比为 1:5、碳化温度为 700°C、碳化时间为 60min 时，所得生物炭（LSPB10）吸附能力最强且产率良好（36.8%）2。
3. LSPB 的特性表征：SEM 图像显示 LSPB 具有多孔结构，包括微孔和介孔，比表面积达728.23m2/g 。XRD 表明 LSPB 主要为无定形碳，Raman 光谱显示其具有高度无序的碳结构。FTIR 分析发现，碳化后 LSPB 的脂肪族功能基团比例减少，芳香族和含氧功能基团比例增加，这些变化有利于提高对 CMs 的吸附效率和容量345。
4. 吸附容量分析：LSPB 对 CMs 的吸附效率随其用量增加而提高，当用量超过 0.5g/L 时吸附容量趋于稳定。溶液温度为 20°C 时，LSPB 对所有 CMs 的吸附效率达到最大值。在最佳吸附条件（吸附剂用量 0.5g/L、温度 20°C、初始 CMs 浓度 10μg/mL、吸附时间 30min）下，LSPB 对不同 CMs 的吸附表现出选择性，对甲萘威（Methiocarb）、西维因（Carbaryl）和抗蚜威（Pirimicarb）的吸附性能较好67。
5. 吸附动力学：通过多种吸附动力学模型拟合发现，Elovich 模型对实验数据的拟合效果最佳，表明 LSPB 对 CMs 的吸附过程是通过非均相表面吸附机制进行的。同时，伪二阶动力学模型（PSO）也能较好地拟合部分数据，说明化学吸附在吸附过程中也存在8。
6. 吸附等温线：实验数据更符合 Freundlich 模型，表明 CMs 在 LSPB 上的吸附可能是多层吸附过程。Langmuir 模型计算得到的RL?值和 Freundlich 模型的 1/n 值均表明该吸附过程是有利的9。
7. 吸附热力学：计算得到的热力学参数表明，CMs 在 LSPB 上的吸附过程是自发且放热的，低温更有利于吸附。范德华力和氢键在吸附过程中起重要作用10。
8. LSPB 的回收性能：循环吸附实验表明，LSPB 至少可重复使用 5 次，尽管吸附容量略有下降，但对甲萘威、西维因和抗蚜威的吸附效率在 5 次循环后仍高于 97%11。
9. LSPB 的实际应用：在实际河水样本中，LSPB 对 CMs 的吸附效率在 85.2% - 99.0% 之间，其吸附性能接近商业活性炭，优于石墨化炭黑（GCB）和硅胶，显示出良好的实际应用潜力12。

研究结论与意义

这项研究成功地从废弃莲蓬中制备出生物炭 LSPB，用于吸附水中的 CMs 残留。通过优化制备条件，得到了吸附性能优异的 LSPB，并深入研究了其吸附性能、吸附机制和回收利用潜力。研究结果表明，LSPB 是一种极具前景的 CMs 残留吸附剂，在实际应用中具有巨大的潜力，有望为解决水体中 CMs 污染问题提供一种经济、高效且环保的解决方案。不过，目前研究也存在一些局限，比如实际水体污染物成分复杂，大规模农业废弃物改性可能造成环境污染等，未来还需要进一步研究探索1213。