一步热解废弃香烟滤嘴制备多孔碳材料及其对亚甲基蓝的高效吸附机制研究

推荐：本研究针对染料废水处理难题，创新性地以废弃香烟滤嘴(UCFs)为原料，通过一步热解法制备多孔碳材料(CPC)，系统考察其对亚甲基蓝(MB)的吸附性能。研究发现CPC-800样品具有530.6 m2/g的比表面积和0.31 cm3/g的孔容，最大吸附容量达53.55 mg/g，吸附过程符合准二级动力学模型和Freundlich等温模型，揭示了孔隙填充、氢键作用、静电吸引和π-π相互作用的协同机制，为固体废弃物资源化与废水治理提供了新思路。

　　

在全球每年产生约6万亿个香烟滤嘴的背景下，这些主要由不可降解的醋酸纤维素构成的废弃物不仅造成严重的环境负担，其含有的重金属和多环芳烃更对生态系统构成潜在威胁。与此同时，纺织、印染等行业排放的染料废水中，亚甲基蓝(MB)等阳离子染料因其高色度、高生物毒性和化学稳定性，成为水处理领域的重点治理对象。传统处理方法如生物降解、光催化等存在成本高、效率低等缺陷，而吸附法因其操作简便、环境友好等优势备受关注。

针对这一双重环境挑战，来自吕梁学院化学与材料工程系的Zhao Xueqing团队在《Desalination》发表研究，开创性地将废弃香烟滤嘴(UCFs)转化为高效吸附材料。研究人员采用一步热解策略，在不同温度下制备系列多孔碳材料(CPC)，通过热重分析(TGA)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和氮气吸附-脱附等技术系统表征材料特性，并系统考察了吸附剂用量、pH值、初始浓度等参数对MB去除效果的影响。

关键技术方法包括：1) 以标准化品牌香烟滤嘴为原料，在氮气氛围下以10°C/min速率热解制备CPC系列材料；2) 采用紫外可见分光光度法测定MB浓度；3) 通过动力学模型和等温吸附模型解析吸附机制；4) 结合FT-IR和热力学参数探讨相互作用机理。

研究结果揭示：

3.1.1 TGA/DTG分析显示UCFs的热解过程分为脱水(100-200°C)、主分解(200-500°C)和残炭分解(500-800°C)三阶段，最大失重速率出现在363.26°C。

3.1.2 XRD与3.1.3 Raman分析表明CPC-800具有非晶碳结构，I_D/I_G比值显示高缺陷密度，且随温度升高石墨化程度增强。

3.1.4 织构特性显示CPC-800具有530.6 m²/g的比表面积(S_BET)和0.311 cm³/g的总孔容(V_tol)，孔径分布以介孔为主。

3.1.6 FT-IR证实吸附过程中羟基(-OH)和羰基(C=O)等含氧官能团参与氢键形成，芳香环结构增强π-π相互作用。

在MB吸附性能方面：

3.2.1 热解温度实验中，800°C制备的CPC-800展现出最优吸附性能(61.38 mg/g)，归因于石墨化程度提高增强的π-π作用。

3.2.2 吸附动力学符合准二级模型(R²=0.996)，表明化学吸附主导过程。

3.2.4 pH影响研究表明，碱性条件(pH=10.5)下吸附容量达59.8 mg/g，静电吸引作用显著。

3.4 等温吸附数据更符合Freundlich模型(R²=0.953)，揭示表面非均质性特征。

3.5 热力学分析显示ΔG为负值(-3.163 kJ/mol，333K)，ΔH为正值(17.29 kJ/mol)，证实吸附为自发、吸热过程。

这项研究的重要意义在于：首次实现废弃香烟滤嘴向高效吸附材料的直接转化，避免了传统活化法所需的强腐蚀性试剂；通过多尺度表征阐明了MB在CPC上的多机制协同吸附原理；为"以废治污"的可持续发展理念提供了实证案例。尽管当前吸附容量(53.55 mg/g)尚有提升空间，但该工作为后续通过杂原子掺杂等改性策略优化性能奠定了基础，同时提示需要在实际工业废水体系中验证材料的适用性。