Fe/CTAB协同改性软木炭对纳米塑料的高效吸附机制

摘要

【目的】生物炭已被广泛应用于水体中微塑料（m PS）和纳米塑料（nmPS）的治理，但原始生物炭仍存在难以分离回收、吸附性能有限等问题，难以满足高效、多次吸附的应用需求。为解决上述问题，本研究提出以软木与金属（Fe）共热解加表面活性剂修饰的方法制备改性磁性生物炭，旨在提升其吸附性能与循环利用效率，并深入探究其吸附机制。【方法】使用FeCl₃·6H₂O溶液浸渍软木粉后共热解制备磁性生物炭（MBC），利用磁性对生物炭进行分离回收。在此基础上，通过表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）修饰得到改性磁性生物炭（C-MBC），利用SEM-EDS、BET、FTIR、XPS、XRD、VSM、Zeta电位等分析磁性软木生物炭的微观结构和理化特征，并通过批量吸附nmPS实验考察吸附性能，结合吸附模型及表征解析吸附机制。【结果】经过与Fe共热解和表面活性剂修饰的软木生物炭（C-MBC）表现出更加粗糙的表面和更大的平均孔径，平均孔径增加至13.931 4 nm，比表面积和总孔体积分别为21.94 m²/g和0.076 4 cm³/g。Fe改性使生物炭具有磁性和带正电荷，有利于生物炭的分离回收和对nmPS的吸附；CTAB修饰丰富了生物炭表面的化学结构，同时使生物炭带有的正电荷增强，这使得C-MBC对nmPS的吸附能力进一步提升。C-MBC的吸附容量高达277.44 mg/g，在相同吸附条件下，C-MBC（186.33 mg/g）为原始生物炭（BC）(54.33 mg/g)吸附量的3.43倍，并且具备良好的回收和循环利用能力，在经过4次吸附循环后，去除率仍能达到81%。吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温线模型，表明吸附过程包含物理吸附和化学吸附，并在生物炭表面形成单分子层覆盖。热力学分析进一步证实了吸附过程为自发进行和吸热反应，C-MBC和nmPS之间具有较强的相互作用和良好的亲和性。C-MBC在pH 3～11、不同离子浓度、不同离子共存的条件下，仍保持较高的nmPS去除率，具备广泛的应用范围。综合分析表明，软木生物炭对nmPS的吸附机制涉及多重作用力，包括静电引力、络合作用、氢键相互作用以及孔隙填充作用。【结论】本研究通过金属（Fe）共热解和CTAB修饰显著提升了软木生物炭的nmPS吸附能力。此外，制备的软木生物炭还具备良好的环境适用性和循环利用性能，在去除水体中的nmPS方面具有广阔的应用前景。

关键词

磁性生物炭 / 纳米塑料吸附 / 微塑料治理 / 水处理 / 表面活性剂 / 吸附机制 / 循环利用 / 软木