咖啡渣衍生分级多孔碳高效吸附氯草敏及其代谢物的机理与性能研究

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Biomass-based efficient and eco-friendly adsorbent for chloridazon and its metabolites

本研究针对氯草敏及其代谢物在水体中的污染问题，开发了一种以废弃咖啡渣为原料的分级多孔碳（HPC）吸附剂。通过CO2活化优化孔隙结构，材料比表面积达1100 m2·g?1，对氯草敏吸附容量高达448 mg·g?1，20分钟内即可达到吸附平衡。该材料兼具高吸附效率、可再生性及环境友好性，为农药污染治理提供了新策略。

　　

在欧洲甜菜种植中广泛使用的除草剂氯草敏（Chloridazon）及其代谢产物脱苯氯草敏（desphenyl-chloridazon）、甲基脱苯氯草敏（methyl-desphenyl-chloridazon）正持续涌入地表水系统，引发环境与健康风险。这些分子具有水溶性和迁移性，传统水处理方法难以高效去除，而商业活性炭吸附容量有限且成本较高。面对这一挑战，如何将废弃生物质转化为高性能吸附材料，实现农药污染的低成本治理，成为环境材料领域的重要课题。

近期发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》的研究提出了一种创新解决方案：以日常饮品咖啡产生的废渣（Waste Coffee Grounds, WCG）为原料，通过冰模板法结合二氧化碳活化技术，成功制备出具有分级孔结构的多孔碳材料（Hierarchical Porous Carbon, HPC）。这种材料不仅实现了废弃资源的增值利用，更展现出对氯草敏及其代谢物的卓越吸附性能，为农业面源污染治理提供了新材料选择。

研究团队采用多步骤材料制备与表征技术：首先通过冰模板法将咖啡渣与蔗糖-二氧化硅复合体系组装，经碳化和蚀刻获得HPC；进一步利用CO₂在800°C下活化制备增强型aHPC。通过氮气吸附-脱附等温线分析材料孔隙结构，X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征晶体形貌，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）揭示吸附机理。吸附性能通过动力学、等温线和热力学实验系统评估，并考察pH影响及材料再生能力。

3.1. 分级多孔碳与活化分级多孔碳的表征

通过氮气吸附-脱附测试发现，HPC具有典型的IV型等温线特征，比表面积约900 m²·g^?1，而CO₂活化后的aHPC比表面积提升至1100 m²·g^?1，微孔比例从3.7%增至4.9%。孔径分布显示材料同时存在微孔（0.5-2 nm）和介孔（8-18 nm），SEM图像直观呈现三维互通的多级孔道结构。XRD表明材料为无序碳结构，活化过程部分破坏石墨微晶域。FTIR证实材料表面存在芳香碳骨架和含氧官能团，吸附后出现C-N特征峰且C=C峰位移动，提示π-π相互作用。

3.2. 氯草敏及其代谢物的吸附研究

3.2.1. 溶液pH值的影响

材料零点电位（pH_pzc）为3-4，在自然水体pH≈6条件下，吸附剂与污染物均带负电荷，但吸附仍高效进行，表明非静电作用主导吸附过程。再生实验显示，经过热水-乙醇洗涤后，材料经两次吸附-脱附循环后性能保持80%以上，证明其良好可再生性。

3.2.2. 吸附动力学

HPC和aHPC均在20分钟内达到吸附平衡，伪二级动力学模型（R²>0.99）优于伪一级模型，表明吸附受物理-化学协同作用控制。aHPC对氯草敏的吸附容量达448 mg·g^?1，显著高于代谢物（281-294 mg·g^?1）。韦伯-莫里斯扩散分析表明吸附过程受界面扩散和颗粒内扩散共同控制。

3.2.3. 吸附等温线

Freundlich模型（R²=0.97-0.99）比Langmuir模型更能描述吸附行为，表明材料表面存在能量非均一的吸附位点。25°C时aHPC对氯草敏的最大吸附容量（448 mg·g^?1）远超商业活性炭（75.6 mg·g^?1）和已报道的粘土材料（0.164-31.024 mg·g^?1）。

3.2.4. 吸附热力学

ΔG°为负值（-20.47至-33.99 kJ·mol^?1）表明吸附为自发过程，ΔH°负值（-3.345至-33.80 kJ·mol^?1）证实反应放热，属物理吸附范畴。ΔS°值变化反映不同分子的脱溶剂化与孔内受限熵变竞争。

3.2.5. 吸附机制

XPS深度分析揭示关键作用力：N1s光谱中NH₂和C=N-N组分结合能位移证实氢键形成；C1s光谱中π-π*卫星峰表明芳香环间电子相互作用；氯草敏较高疏水性（logK_ow）增强疏水作用。综合机制包括π-π堆叠、氢键、范德华力及在pH< />_pzc时的静电作用。

该研究通过巧妙的材料设计，将废弃咖啡渣转化为高性能吸附材料，解决了氯草敏类污染物去除难题。分级孔结构保障了快速传质，表面化学特性提供了多重作用位点，使材料在吸附容量、速率和再生性方面均优于传统吸附剂。研究不仅阐明了吸附机制，更展示了生物质资源化利用与环境污染治理相结合的可行性，为绿色水处理技术开发提供了新思路。未来研究需关注实际水体中复杂基质对吸附性能的影响，推动材料向实际应用迈进。