阴离子表面活性剂改性活性炭对铅离子(Pb(II))的吸附机制研究：从动力学、热力学到分子相互作用解析

推荐：本研究针对水体铅污染治理难题，创新性地利用香烟滤嘴废料制备阴离子表面活性剂改性活性炭(ASMAC)，通过系统研究其吸附Pb(II)的动力学、热力学及分子机制，揭示了ASMAC通过羧基(-COO-)与Pb(II)形成双齿配位键的化学吸附机理，最大吸附容量达257.06 mg/g，为重金属废水处理提供了高效环保的新型吸附材料。

　　

随着工业发展和城市化进程加速，重金属铅(Pb(II))对水体的污染已成为全球性环境问题。铅不仅具有生物累积性，即使微量暴露也会导致神经系统损伤、儿童发育障碍等严重后果。传统处理方法如化学沉淀法成本高且易产生二次污染，而吸附法因其高效、低成本成为研究热点。然而，普通吸附材料对Pb(II)的选择性和容量有限，如何通过材料改性提升性能成为关键科学问题。

针对这一挑战，印度尼西亚加查马达大学(Universitas Jember)化学系的Muhammad Reza团队创新性地将香烟滤嘴废料转化为资源，通过阴离子表面活性剂——椰油酰谷氨酸二钠(DCG)改性活性炭(ASMAC)，系统研究了其对Pb(II)的吸附机制。这项发表在《Next Materials》的研究，首次揭示了ASMAC通过"静电吸引-化学配位"的双阶段吸附机制，为重金属废水治理提供了新材料设计思路。

研究人员采用四大关键技术：1) 香烟滤嘴的碳化-活化两步法制备多孔活性炭；2) DCG溶液表面修饰构建功能化吸附位点；3) 紫外-可见分光光度法结合二硫腙显色定量Pb(II)浓度；4) 综合运用FTIR、XRD、SEM表征材料结构变化。通过优化实验发现，10 mg ASMAC在35分钟即可达到最大吸附容量257.06 mg/g（初始浓度120 ppm，303 K）。

【材料特性】XRD显示ASMAC呈非晶态，SEM观察到其表面具有异质孔结构。FTIR证实改性后羧基(1696 cm^-1)和羟基(3421 cm^-1)特征峰增强，为Pb(II)吸附提供了活性位点。

【吸附动力学】伪二级动力学模型(R²=0.9998)最佳拟合表明化学吸附主导过程。intraparticle扩散模型揭示吸附分两阶段：初期(5-10分钟)膜扩散快速完成80%吸附，后期(15-35分钟)颗粒内扩散逐步达到平衡。

【等温吸附】Langmuir模型(R²=0.9908)显示313 K时最大吸附量达121.95 mg/g，证实单分子层吸附特性。温度升高导致K_L值下降，反映吸附位点随温度变化而重组。

【热力学分析】ΔH°=37.00 kJ/mol证实吸热过程，ΔG°<0(-9.63至-12.69 kJ/mol)表明自发进行。ΔS°=154.59 J/mol.K的高正值提示吸附后体系混乱度显著增加，源于Pb(II)水合层的解离。

【分子机制】FTIR谱图解卷积显示吸附后C=O/C=C峰面积比下降43.71%，而C-O/C=C比上升78.74%。结合pH-pKa分析，提出Pb(II)优先与去质子化羧基(-COO^-)形成双齿配位键：在AC本体羧基(pKa 3-6)和DCG的ω-羧基(pKa 4.25)位点发生配位，电子云重分布导致C=O向高波数位移(1685→1699 cm^-1)。

该研究通过"废物资源化-材料改性-机制解析"的全链条创新，不仅实现了香烟滤嘴废料的高值化利用，更阐明了ASMAC吸附Pb(II)的"物理-化学"协同机制。其提出的双齿配位模型为设计高性能重金属吸附剂提供了理论指导，而温和条件下(303 K，中性pH)的高吸附容量(257.06 mg/g)展现出实际应用潜力。未来研究可进一步优化DCG修饰工艺，探索ASMAC在复杂水体环境中的抗干扰能力，推动其从实验室走向工程化应用。