《Microchemical Journal》：Nanoporous activated carbon from pinecone shells for the removal crystal violet: Insight into chemical and textural properties and adsorption mechanisms
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Amina Aichour | Hakim Djafer Khodja
阿尔及利亚布伊拉Akli Mohaned Ouelhadj大学技术学院工业化学技术系，邮编10000
摘要
本研究聚焦于在800°C下炭化的松果壳制备纳米多孔活性炭（PS-800），及其在水溶液中去除结晶
Amina Aichour | Hakim Djafer Khodja
阿尔及利亚布伊拉Akli Mohaned Ouelhadj大学技术学院工业化学技术系，邮编10000
摘要
本研究聚焦于在800°C下炭化的松果壳制备纳米多孔活性炭（PS-800），及其在水溶液中去除结晶紫（CV）的应用。通过BET、FTIR、XRD、XPS和SEM等分析方法发现，该活性炭具有介孔结构，比表面积为495.54 m2·g?1，孔体积为0.559 cm3·g?1，零电荷点（pH_PZC）为6.82。通过批量吸附实验研究了接触时间、初始染料浓度（30–1000 mg/L）、pH值（Abdelrahman等人，2023；Sumitha等人，2023；Albishri和Katouah，2023；Malarvizhi等人，2024；Aichour和Zaghouane-Boudiaf，2019, 2020, 2019, 2022, 2018（3–11））以及温度（15–45°C）和吸附剂用量对吸附效果的影响。平衡数据最佳拟合为Langmuir等温线（R2 = 0.994），最大单层吸附容量为79.54 mg·g?1，表明吸附发生在相对均匀的表面上。动力学结果符合伪二级模型（R2高达0.991），而颗粒内扩散分析显示吸附过程涉及边界层扩散和孔隙填充等多个步骤。Dubinin–Radushkevich模型及热力学参数（ΔH° = 29.24 kJ/mol）表明吸附过程主要受物理作用支配。在pH ≥ 6和较高温度下吸附效果更佳，表明该过程为吸热且自发进行。在CV/亚甲蓝二元体系中的竞争吸附研究表明，由于位点竞争导致吸附容量下降，突显了多污染物条件的影响。使用KCl/乙醇溶液进行的再生实验表明PS-800具有良好的重复使用性，经过四次循环后性能损失可接受。吸附机制包括π–π相互作用、静电吸引、氢键作用以及介孔结构内的孔隙填充。这些结果表明，松果壳衍生的活性炭是一种高效、低成本且可持续的阳离子染料废水吸附剂。
引言
合成染料对水体的污染已成为严重的环境问题，因为它们具有毒性、持久性和抗生物降解性[1]、[2]。其中，结晶紫是一种广泛应用于纺织和工业领域的阳离子染料[3]、[4]，即使在低浓度下也会对水生生态系统和人类健康造成严重危害。它对水生生物具有很强的致癌和致突变性，可导致心率加快、眼睛刺激和四肢瘫痪[3]、[5]、[6]。近年来，吸附技术因简单、高效且可使用低成本材料而被认为是去除染料的有效经济方法[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。已有多种吸附剂被用于染料去除，包括来自椰子壳、稻壳和果皮等农业废弃物的活性炭，以及基于生物炭的改性碳材料。研究表明，吸附效率很大程度上取决于比表面积、孔结构和表面官能团，Langmuir和伪二级模型通常能很好地描述吸附平衡和动力学过程。尽管取得了这些进展，但开发具有高吸附能力的低成本可持续吸附剂仍是一个持续挑战。松果壳作为一种丰富的林业废弃物，尚未被广泛用于活性炭生产。其木质纤维素结构使其成为制备多孔碳材料的有希望的候选材料[19]。基于生物质的材料一直受到全球研究人员的关注，这得益于其独特的特性[20]、[21]、[22]。其多种含氧官能团赋予了材料表面活性[23]。本研究的创新之处在于利用丰富的低价值林业副产品——松果壳，制备纳米多孔活性炭，并将其应用于结晶紫的吸附。本研究不仅评估了吸附效率，还通过多种表征技术（FTIR、XRD、XPS、SEM和N?吸附-脱附）全面分析了表面形态、孔隙度与吸附行为之间的关系。此外，还通过动力学、等温线和热力学建模以及重复使用性研究深入探讨了吸附机制。
章节摘录
材料
松果壳采集自阿尔及利亚的本地松树。结晶紫（化学式：C??H??N?Cl，简称CV[24]）从R&M Chemicals购买。
松果壳活性炭的制备
松果壳用蒸馏水多次洗涤以去除杂质，然后在70°C下干燥48小时，之后研磨并筛分得到0.8–1.7 μm的均匀颗粒。将20克松果壳粉末放入密封陶瓷坩埚中，进行热炭化处理
松果壳活性炭的表征
在800°C下炭化的松果壳活性炭的灰分含量约为6–8%。较低的灰分含量反映了松果壳本身较低的矿物成分。较高的炭化温度使得大部分挥发性有机物被去除，从而提高了活性炭中的无机成分含量。这一结果与高温炭化木质纤维素生物质的文献报道一致
等温线建模
使用Langmuir、Freundlich、Temkin和Dubinin–Radushkevich（D–R）等温线模型分析了结晶紫在PS-800上的吸附平衡数据，以阐明吸附机制和表面特性。结晶紫的吸附等温线如图7(b)所示，各模型的参数见表3。
Langmuir模型对结晶紫在PS-800上的吸附现象描述最为准确，其相关系数（R2）最高
结论
在800°C下制备的纳米多孔活性炭（PS-800）在水介质中对结晶紫的吸附表现出优异性能。表征结果证实其具有高比表面积（495.54 m2·g?1）、显著的孔体积以及有利于染料吸附的表面官能团。pH_PZC值为6.82，说明溶液pH值对吸附行为有显著影响。吸附平衡符合
CRediT作者贡献声明
Amina Aichour：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，数据验证，方法学设计。Hakim Djafer Khodja：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，数据验证。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
