将用过的干电池通过废物转化资源的技术，制备出可磁分离的氧化石墨烯，用于高效且可回收的染料吸附应用

《Sustainable Materials and Technologies》：Waste-to-resource conversion of spent dry batteries into magnetically separable graphene oxide for efficient and recyclable dye adsorption

【字体：大中小】 时间：2026年05月10日 来源：Sustainable Materials and Technologies 9.2

编辑推荐：

　　薛志双|吕冠林|华跃如|廖莉|梁海|邓新忠大连理工大学，化学工程、海洋与生命科学学院，中国大连 116024摘要干电池的快速消耗导致了大量含碳固体废弃物的积累，这既带来了环境风险，也带来了资源利用效率低下的问题。因此，将这些废弃物转化为高价值的功能性材料对实现清洁生产和可持续发展

薛志双|吕冠林|华跃如|廖莉|梁海|邓新忠

大连理工大学，化学工程、海洋与生命科学学院，中国大连 116024

摘要

干电池的快速消耗导致了大量含碳固体废弃物的积累，这既带来了环境风险，也带来了资源利用效率低下的问题。因此，将这些废弃物转化为高价值的功能性材料对实现清洁生产和可持续发展具有重要意义。在本研究中，通过电化学剥离技术直接将废旧干电池中的碳棒转化为氮硫共掺杂的磁性石墨烯氧化物（WBMG），在原位形成了磁性组分，并引入了丰富的氮（N）和硫（S）活性位点。WBMG对刚果红（CR）和结晶紫（CV）表现出优异的吸附性能，在连续流动条件下具有高吸附容量和良好的动态吸附能力。利用XPS和DFT进行的机理研究表明，吸附过程主要受静电作用、π–π相互作用和氢键的调控。这些相互作用还受到杂原子掺杂（特别是氮和硫官能团）的影响。与以往报道的基于石墨烯的材料相比，WBMG在成本上具有显著优势，其卓越的再生性能确保了长期的实用性。总体而言，这项工作建立了一种可持续的“废物-to-资源”转化方法，同时解决了废旧电池的处理问题和染料废水的治理问题，为碳基废弃物的清洁生产和循环利用提供了有前景的途径。

引言

随着科学技术的快速发展，各种便携式电子设备已成为现代日常生活不可或缺的一部分[1]。作为最常见的储能设备之一，干电池因其低成本、紧凑体积和易于使用而广泛应用于家用电器、玩具、手电筒、闹钟和其他电子设备中[2]。每年有数百万吨干电池被生产出来，其中大部分被丢弃或焚烧[3]。废旧干电池的不当处理会产生废酸、废碱以及锌（Zn）、铁（Fe）和锰（Mn）等金属。这些废酸和废碱会污染水和土壤，而且释放的金属可能会在植物和水生系统中积累，进而进入食物链，最终威胁人类健康[4]。因此，废旧干电池的回收和再利用一直是全球研究的重点[5]。然而，大多数现有研究主要集中在回收有价值的金属上，而碳棒通常作为碳源被直接丢弃或焚烧，导致石墨资源的浪费和二次环境污染[6]。回收并重新利用从废旧干电池中提取的碳棒有助于减轻由废电池造成的环境负担，并减少对天然石墨开采的需求。回收的石墨棒已被广泛用于制备石墨烯氧化物（GO）、碳量子点、活性炭、电容器和催化剂载体[7]。

石墨烯氧化物（GO）因其较大的比表面积、优异的分散性和丰富的含氧官能团而被广泛用作去除重金属和有机染料的吸附剂[8]。传统上，制备GO需要使用高纯度的石墨粉末或高度定向的热解石墨（HOPG），这两种方法成本高昂、过程复杂且能耗大[9]。因此，石墨开采变得越来越普遍，而中国的印度等主要生产国的全球储量却十分有限[10]。鉴于天然石墨资源的稀缺性，开发可持续且低成本的GO合成碳源已成为重要的研究方向。从废旧干电池中回收的碳棒作为一种有吸引力的替代碳源，因为它们易于获取、价格低廉且主要由高纯度石墨组成[11]。

近年来，作为石墨烯基材料的替代碳源，废弃物电池受到了越来越多的关注[12]。这种方法在废水处理应用中尤其具有前景。然而，大多数现有研究仍然依赖于传统的Hummers方法，该方法使用强氧化剂和浓酸，会产生有害副产物，并引发严重的环境和安全问题[13]。

电化学剥离技术作为一种绿色、高效且环保的石墨烯生产方法，为传统方法提供了可持续的替代方案[14]。多项研究表明，在温和条件下，成功通过电化学剥离技术从废弃物电池中提取的碳棒制备出了石墨烯或GO，且效率较高[15]。然而，电化学剥离得到的GO在水中的分散性较高，这使得后续的吸附分离变得复杂，可能引起二次污染。

为了解决这个问题，采用了磁性修饰技术来促进快速高效的回收[16]。目前从废弃碳棒制备磁性石墨烯的方法主要包括化学氧化后进行磁化处理，或在合成后与磁性纳米粒子组装[17][18]。然而，这些方法往往需要苛刻的反应条件或多步骤工艺，并且界面相互作用较弱。开发一种简单且可持续的直接制备磁性石墨烯的策略仍然非常有必要。

这些具有磁分离性的石墨烯材料在废水处理的实际应用中显示出巨大潜力。有机染料是工业废水中最常见的有害污染物之一。特别是刚果红（CR）和结晶紫（CV），由于它们的广泛应用和显著的环境风险而备受关注。CR是一种阴离子偶氮染料，广泛用于纺织和印染行业，具有较高的化学稳定性并具有潜在的致癌性，难以通过自然途径降解，对水生生物有害[19]。另一种代表性的染料CV是一种阳离子三苯甲胺染料，常用于生物染色、纸张生产和纺织染色，具有高毒性、致突变性和在水生环境中的持久性[20]。因此，有效去除这些染料对于减轻生态破坏和降低人类健康风险至关重要。例如，Al-Ansari等人[21]利用废旧干电池合成了一种可持续的Au@rGO纳米复合材料，在10 mg/L的浓度下对CR的去除率达到95%， corresponding to an adsorption capacity of 55.9 mg/g。Seemab等人[22]报告称，从废旧干电池石墨棒中合成的低成本GO和rGO对CR的去除效果分别为46.1 mg/g和41.33 mg/g。此外，杂原子掺杂（如氮或硫）通过引入缺陷位点和调节表面化学性质来提高吸附性能。然而，将磁性功能与杂原子掺杂集成到从废弃碳棒中制备的石墨烯中，尤其是通过一步电化学过程来实现，这方面的研究还不够充分。此外，不同电荷特性染料的吸附行为及其背后的机理尚未系统阐明。

在这项研究中，开发了一种一步电化学剥离策略，将废旧干电池中的碳棒转化为氮硫共掺杂的磁性石墨烯氧化物（WBMG）。与以往报道的方法相比，该方法在电化学剥离过程中原位形成了磁性组分，避免了后续的Fe₃O₄组装以及强氧化剂或浓酸的使用。此外，氮和硫的掺杂引入了丰富的活性位点，增强了WBMG的表面反应性。所得到的WBMG被用于高效去除水溶液中的两种代表性且高毒性的染料CR和CV。进行了系统的研究以评估染料浓度、接触时间、溶液pH值和共存离子对吸附性能的影响。通过等温、动力学和热力学研究来理解吸附行为。此外，还进行了动态吸附和再生实验，以评估WBMG在连续流动条件下的实际应用性和可回收性。使用XRD、XPS和密度泛函理论（DFT）计算进行了机理研究，以阐明表面官能团和相互作用途径的贡献。还进行了成本分析，以比较WBMG与以往报道的基于石墨烯的材料的经济可行性。总体而言，这项研究提出了一种创新的“废物-to-资源”转化方法，同时实现了废旧干电池的回收和染料污染废水的治理，有助于开发高效和可持续的环境材料。同时也对WBMG的成本进行了评估。

章节片段

材料

硫酸铁（Fe₂(SO₄)₃、氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl）、乙酸（HAc）、氯化钠（NaCl）、硫酸钠（Na₂SO₄）、硝酸钠（NaNO₃）、碳酸氢钠（NaHCO₃、腐殖酸（HA）、氯化钾（KCl）、氯化钙（CaCl₂）、氯化镁（MgCl₂）、刚果红（CR）和结晶紫（CV）均从中国沈阳的中药 Parenthood公司购买。壳聚糖从山东铭盛生物技术有限公司购买。所有使用的试剂均为分析纯

表征

图2a-f展示了GR和WBMG-x（x = 0.05, 0.1, 0.2, 0.3）的表面形态。在图2a中，石墨显示出高度有序的层状结构。电化学剥离后，WBMG-0.05呈现出超薄、半透明且起皱的片状结构，其中Fe₃O₄纳米颗粒几乎不可见（图2b）。对于WBMG-0.1，由于Fe₃O的均匀分布，形成了均匀分散的磁性相

结论

本研究通过简便的电化学剥离方法从废旧干电池碳棒制备出了具有磁分离性的石墨烯氧化物。CR和CV的吸附行为可以用Langmuir等温模型和伪二级动力学模型很好地描述，表明吸附主要为化学吸附。热力学分析证实，WBMG-0.1对CR的吸附是吸热的，而CV的吸附是放热的，这两种过程都是自发的

CRediT作者贡献声明

薛志双：撰写－初稿，监督，研究设计，资金获取，概念构思。吕冠林：数据整理。华跃如：数据整理。廖莉：数据整理。梁海：撰写－审稿与编辑，形式分析。邓新忠：撰写－审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了辽宁省化学添加剂合成与分离重点实验室（ZJNK2415，ZJNK2508）、辽宁省高值利用镁矿工程技术中心（LMNY2024020201，LMNY2025020202）、辽宁省科技厅区域联合基金（2024LNYKJ14）、辽宁省教育厅高校基础科学研究计划（LJ232514435001）和

联系信箱：

摘要

引言

章节片段

材料

表征

结论

CRediT作者贡献声明

利益冲突声明

致谢

热点排行