以柚木基碳材料接枝共聚法高效吸附水中重金属：变废为宝的环境净化新突破

为解决水中铅（Pb2+）、铜（Cu2+）、镉（Cd2+）等重金属污染问题，研究人员开展了以柚木废料合成碳质吸附剂的研究。结果显示，接枝共聚显著提升吸附能力，该研究为水净化和废物管理提供新途径。

　　在工业飞速发展的当下，重金属污染已成为威胁环境与人类健康的严峻问题。铅（Pb²⁺）、铜（Cu²⁺）、镉（Cd²⁺）等重金属，虽为人体所需的微量元素，但过量摄入却危害极大。铅会损害神经系统，影响儿童智力发育，导致成人认知下降；高浓度铜会刺激呼吸道和消化系统，严重时损伤肝肾；镉则会在体内蓄积，损伤内脏，引发多种疾病。这些重金属主要源于工业废水排放，若未经处理直接进入水体，会使水中重金属浓度不断攀升，给生态环境和人类健康带来巨大隐患。

目前，治理重金属污染的方法众多，其中吸附法因高效去除污染物而备受关注。传统的活性炭虽应用广泛，但其对重金属离子的吸附能力有限，且生产和再生成本高昂。在此背景下，寻找一种高效、低成本的吸附材料成为当务之急。

为攻克这一难题，研究人员开展了以柚木废料合成碳质吸附剂去除水中重金属的研究。研究成果发表在《Carbon Resources Conversion》杂志上，为水净化和环境保护提供了新的方向。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，以废弃柚木为原料，通过水热合成、煅烧、化学活化等一系列处理，制备出了水热炭（TH）、生物炭（TB）和活性炭（TAC）三种碳质材料。随后，利用铈铵硝酸盐作为引发剂，进行丙烯酸接枝共聚反应，对上述材料进行改性，得到接枝后的水热炭（THG）、生物炭（TBG）和活性炭（TACG）。接着，运用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线光谱仪（EDS）、X 射线光电子能谱仪（XPS）、比表面积分析仪（BET）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）等多种仪器，对材料的表面形貌、元素组成、比表面积和功能基团等进行全面表征。在吸附实验中，配制不同浓度的重金属溶液，调节 pH 值，加入吸附剂振荡反应，通过火焰原子吸收光谱仪测定吸附前后溶液中重金属浓度，结合 Langmuir 和 Freundlich 吸附模型分析数据。

研究结果如下：

1. 材料性质
   • SEM 分析：所有吸附剂表面均不光滑，水热炭无明显孔结构，接枝未对吸附剂表面造成明显损伤，活性炭孔隙较多，但孔隙增加对重金属吸附提升不显著，表明表面功能基团对吸附效率的提升更为关键。
   • EDS 分析：接枝后碳质材料中氧含量增加，引入了钠（Na）离子，证明了丙烯酸的 COOH 功能基团成功接枝，NaOH 处理进一步增强了阳离子交换功能，但接枝过程中引入的铈（Ce）可能会降低重金属吸附量，可通过延长 NaOH 浸泡时间或提高其浓度来改善。
   • XPS 分析：接枝后表面 O 含量增加、C 含量减少，表明引入了 OH 功能基团，这些基团能通过离子交换和络合作用增强重金属吸附能力。
   • BET 分析：水热炭的比表面积（S_BET）较低，接枝后略有增加；生物炭和活性炭经处理后比表面积大幅提高，但接枝过程中 NaOH 浸泡会使表面碱性侵蚀，导致比表面积下降。不过，比表面积与重金属吸附量并非直接相关，接枝增强的功能基团才是提升吸附能力的关键。
   • FTIR 分析：接枝前后碳质材料功能基团变化不明显，主要功能基团为 COOH 和 OH，源于柚木的木质素或纤维素。增加 COOH 和 OH 功能基团比例可提升对重金属的吸附能力。
   
   
2. 重金属吸附
   • 吸附等温线：Pb²⁺、Cu²⁺和 Cd²⁺的吸附等温线呈 L 型，吸附机制主要为络合和离子交换。接枝显著提升了重金属离子的吸附能力，且不同重金属的吸附特性因自身性质而异。
   • 吸附量对比：未接枝碳质材料对重金属的吸附量顺序为 TH > TAC > TB，与比表面积无关；接枝后吸附量大幅提升，提升顺序为 Pb²⁺ > Cd²⁺ > Cu²⁺ 。
   • 模型参数：Langmuir 模型能较好地预测最大吸附容量，Freundlich 模型中的n值反映了吸附剂特性，两种模型均表明所制备的吸附剂对重金属具有良好的去除潜力。
   
   
3. 接枝对重金属吸附的影响
   • 不同材料的接枝效果：接枝对不同碳质材料吸附重金属的效果不同。对 Pb²⁺吸附提升效果为 TAC > TH > TB；对 Cu²⁺为 TH > TB > TAC；对 Cd²⁺为 TB > TAC > TH。总体提升比例顺序为 Pb²⁺ > Cu²⁺ > Cd²⁺。
   
   
4. 碳质材料对不同重金属的吸附效果
   • 吸附能力顺序：所有碳质吸附剂对重金属的吸附效果顺序为 Cu > Cd > Pb。离子半径虽影响吸附容量，但实验结果与理论预测不符，表明除离子交换外还有其他吸附机制。
   • 影响吸附的因素：溶液中的竞争离子、有机化合物和 pH 值都会影响吸附效果。高离子强度和极端 pH 值会降低吸附容量，不同重金属的最佳吸附 pH 值不同。
   
   

研究结论表明，柚木废料可作为合成碳质吸附剂的优质原料，经丙烯酸接枝共聚后，能显著提升对 Pb²⁺、Cu²⁺和 Cd²⁺等重金属的吸附能力。该研究实现了废物资源化利用，为水净化提供了高效且低成本的吸附材料，在环境修复领域具有重要的应用价值。同时，研究也为后续相关研究指明了方向，如扩大 pH 研究范围、增强统计稳健性、测试吸附剂的可重复使用性和耐久性等，有望进一步提升柚木基吸附剂在实际环境中的应用效果。