《Biomass and Bioenergy》：Sustainable Biochar–Covalent organic framework (COF) hybrids for selective remediation of lead and arsenic from groundwater
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阿比尔·阿达伊莱（Abeer Adaileh）、埃曼·法亚德（Eman Fayad）、穆罕默德·阿布·舒海尔（Mohammad Abu Shuheil）、伊斯兰·A·穆罕默德（Eslam A. Mohamed）、达拉尔·纳赛尔·宾贾瓦尔（Dalal Nasser Binjawha
阿比尔·阿达伊莱（Abeer Adaileh）、埃曼·法亚德（Eman Fayad）、穆罕默德·阿布·舒海尔（Mohammad Abu Shuheil）、伊斯兰·A·穆罕默德（Eslam A. Mohamed）、达拉尔·纳赛尔·宾贾瓦尔（Dalal Nasser Binjawhar）、H.A. 阿卜杜勒·萨马德（H.A. Abdel Samad）、马哈茂德·F·穆巴拉克（Mahmoud F. Mubarak）
应用科学私立大学基础科学系，邮政信箱166，安曼，11931，约旦
摘要
开发出结合可持续碳基质和结晶多孔结构的多功能混合吸附剂是净化地下水的有效方法。本文介绍了一种由生物炭衍生的碳共价有机框架吸附剂（BC@TpPa-COF），该吸附剂通过生物质的水热碳化辅助热解和产物与席夫碱缩合反应的原位溶热反应两步法成功制备。多孔生物炭（BC）是通过农业生物质碳化制备的，随后对其前体进行功能化处理，使其可作为1,3,5-三甲酰氟苯甲醇（Tp）和对苯二胺（Pa）缩合生成TpPa-COF的成核基底。使用FTIR、XRD、SEM、TEM、XPS和BET比表面积分析技术对合成的BC@TpPa-COF混合物的结构进行了表征。批量吸附实验显示，Pb(II)和As(V)的吸附速率很快，平衡后Pb(II)的吸附容量达到312.5 mg g?1，As(V)的吸附容量达到198.3 mg g?1。吸附动力学符合伪二级模型，平衡数据遵循朗缪尔等温线，表明为单层吸附。机理研究表明，吸附过程涉及静电吸引力、表面配位和 coordination 作用。这种复合材料在存在竞争离子的情况下仍具有较高的选择性，并且在第五次再生后仍保持较高的去除能力，这表明其在可持续地下水修复中的应用潜力。
引言
重金属（尤其是铅(Pb2?)和砷(As??/As3?)）对地下水的污染是一个全球性的环境和人类健康问题，对工业和采矿区的影响尤为严重[1,2]。即使微量接触这些离子也会导致严重的副作用，如神经和肾功能障碍以及癌症风险，因此迫切需要开发能够有效去除它们的技术[3]。虽然已应用了多种传统处理方法，如化学沉淀[4,5]、膜分离[6,7]、离子交换[8,9]、活性炭吸附[10]或天然粘土[11]，但这些方法通常存在去除不完全、产生二次废物、多组分系统缺乏选择性、运行成本高和重复使用受限等缺点[12,13]。活性炭虽是一种通用吸附剂，但在大多数情况下对特定二价阳离子和类金属的亲和力较低，除非经过化学改性[14]。相比之下，金属氧化物和聚合物基复合材料[15]等选择性材料也值得关注，但它们可能具有表面积不足、在操作条件下性能不佳或无法再生的问题，从而限制了其在持续水处理中的应用[16,17]。为了解决这些问题，人们开始关注基于高表面积和多孔性的碳材料与共价有机框架（COFs）结构规整性和功能位点可编程性的混合吸附剂[18,19]。特别是由农业废弃物制成的生物炭是一种可持续、低成本的多孔碳材料，可作为COFs成核和生长的支架，从而形成具有协同吸附特性的混合框架[20,21]。
本研究设计并合成了一种生物炭-COF混合吸附剂（BC@TpPa-COF），该吸附剂通过两步工艺制备：首先将生物质水热碳化成分层多孔碳，然后原位溶热制备TpPa-COF纳米片网络。这种混合材料结合了生物炭的分层孔结构和表面功能性与COFs的亚胺连接化学性质、结晶度和配位结合位点，从而实现快速吸附、高效去除和优异的再生性能。本文系统地利用FTIR、XRD、SEM、TEM、N?吸附（BET）、XPS、TGA和UV-Vis光谱技术探讨了BC@TpPa-COF的结构、化学和热性能，并分析了它们之间的关系。同时研究了在不同溶液pH值、初始浓度和温度条件下的Pb(II)和As(V)吸附特性，以及多离子竞争下的吸附行为。最后通过再生实验和机理分析评估了其重复使用性和吸附机制。总体而言，本文提出了一条可扩展且可持续的重金属清除路径，该方法不仅有助于废物资源化，还通过混合吸附剂的创新设计提高了选择性、吸附速率和结构稳定性，优于传统吸附剂。
部分摘录
材料
除非另有说明，本研究使用的所有化学品均为分析级，无需进一步纯化。碳原料为 rice husk 农业废弃物，在碳化前经过充分清洗和干燥。共价有机框架（COF）的合成使用了1,3,5-三甲酰氟苯甲醇（Tp，98%）和对苯二胺（Pa，99%），这两种物质均购自美国Sigma-Aldrich公司。用于混合材料的制备和功能化...
通过FTIR、XRD、SEM-EDX、TEM、TGA和XPS等互补分析方法对制备的生物炭衍生碳/共价有机框架混合吸附剂（BC-COF-TpBD）进行了全面的物理化学表征。这些方法将光谱和微观观察结果与结构验证、表面化学性质和表面吸附效能直接联系起来。
结论
本研究采用两步原位溶热缩合和水热碳化策略成功制备了一种新型生物炭基碳-COF混合吸附剂（BC@TpPa-COF）。该混合物具有高比表面积（842 m2 g?1）和分层孔结构，以及大量的功能基团（如亚胺、羟基和羧基），这些特性通过FTIR、XRD、SEM、TEM、XPS、BET、TGA和UV-Vis等广泛表征方法得到验证。
作者声明，本研究的所有数据均包含在文中。如需其他格式的原始数据文件，可向相应作者索取。
资助
作者感谢沙特阿拉伯利雅得Nourah bint Abdulrahman大学的研究支持项目（PNURSP2026R155）提供的支持。
阿比尔·阿达伊莱（Abeer Adaileh）： 数据管理、资源获取。埃曼·法亚德（Eman Fayad）： 资金筹措、项目管理、资源获取。穆罕默德·阿布·舒海尔（Mohammad Abu Shuheil）： 数据管理、资源获取。伊斯兰·A·穆罕默德（Eslam A. Mohamed）： 构思、数据分析、方法研究、初稿撰写、审阅与编辑。达拉尔·纳赛尔·宾贾瓦尔（Dalal Nasser Binjawhar）： 数据管理、数据分析。H.A. 阿卜杜勒·萨马德（H.A. Abdel Samad）： 软件开发。马哈茂德·F·穆巴拉克（Mahmoud F. Mubarak）： 构思、方法研究、验证、初稿撰写、审阅
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢沙特阿拉伯利雅得Nourah bint Abdulrahman大学的研究支持项目（PNURSP2026R155）提供的支持。
