活性炭改性增強對乙酰氨基酚的吸附

　　新興藥物污染物的環(huán)境問題

　　隨著現(xiàn)代醫(yī)療體系的發(fā)展和藥物消費水平的持續(xù)上升，藥物類化合物在環(huán)境介質(zhì)中的殘留問題逐漸受到廣泛關(guān)注。不同于傳統(tǒng)污染物，藥物污染物通常具有生物活性強、環(huán)境濃度低但長期存在的特征，因此即使在極低濃度下，也可能對水生生物、生物多樣性以及人類健康造成潛在風險。

　　在眾多藥物污染物中，對乙酰氨基酚(Acetaminophen，APAP)因其使用范圍廣、消費量大，被認為是最具代表性的目標化合物之一。研究表明，APAP可通過生活污水、醫(yī)院廢水以及制藥工業(yè)廢水進入水體環(huán)境，并在污水處理廠出水中持續(xù)檢出。這一現(xiàn)象表明，現(xiàn)有污水處理體系對APAP的去除仍存在明顯不足。

　　對乙酰氨基酚的理化性質(zhì)與處理難點

　　APAP分子結(jié)構(gòu)中同時含有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)和極性官能團(羥基與酰胺基)，使其在水環(huán)境中表現(xiàn)出較為復(fù)雜的行為特征。一方面，芳香結(jié)構(gòu)賦予其一定的疏水性和π電子體系;另一方面，極性官能團又使其具備較強的親水性和可電離特性。

　　正是這種結(jié)構(gòu)上的“雙重特性”，導(dǎo)致APAP在傳統(tǒng)生物處理過程中表現(xiàn)出不穩(wěn)定的去除效率，在某些條件下可被微生物部分降解，在運行條件變化或毒性抑制下則可能顯著降低去除率。此外，APAP的部分降解中間產(chǎn)物仍可能具有生物活性，使問題更加復(fù)雜。

　　吸附法在藥物污染物去除中的優(yōu)勢

　　相比生物處理，高級氧化、電化學(xué)處理等技術(shù)雖可實現(xiàn)較高去除率，但普遍存在能耗高、運行成本高或副產(chǎn)物控制困難等問題。相比之下，吸附法因其工藝簡單、操作靈活、適用于低濃度污染物處理，被認為是藥物污染物深度處理和末端控制的重要技術(shù)手段。

　　在眾多吸附材料中，活性炭因其：發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、較高的比表面積、良好的化學(xué)與熱穩(wěn)定性。而被廣泛應(yīng)用于水處理工程中。然而，商業(yè)活性炭并非對所有有機污染物都具有理想吸附性能，其吸附效果與材料表面化學(xué)性質(zhì)及孔結(jié)構(gòu)高度相關(guān)。

　　活性炭表面化學(xué)性質(zhì)對吸附的影響

　　已有研究指出，活性炭表面的含氧官能團在吸附過程中可能發(fā)揮“雙刃劍”作用。一方面，羧基、羥基等官能團可通過氫鍵或靜電作用增強對某些極性污染物的吸附;另一方面，這些官能團也可能破壞碳材料的芳香π電子體系，從而削弱對芳香類污染物的π–π相互作用。

　　對于APAP這類同時具有芳香環(huán)與極性基團的分子而言，究竟哪種相互作用在吸附過程中占主導(dǎo)地位，仍缺乏統(tǒng)一認識。這也成為活性炭改性研究中的一個關(guān)鍵科學(xué)問題。

　　水熱改性活性炭的研究思路

　　在該研究中，作者選用商業(yè)活性炭作為原始材料(記為M)，采用水熱處理方法對其進行改性，制備得到改性活性炭(記為MH)。水熱改性具有以下特點：不引入額外化學(xué)試劑、操作條件相對溫和、有利于調(diào)控孔結(jié)構(gòu)和表面官能團分布。

　　研究的核心假設(shè)在于：通過水熱改性降低表面含氧官能團含量、增強碳表面的芳香性，有望強化APAP與碳材料之間的π–π相互作用，從而提升吸附性能。

　　改性前后活性炭結(jié)構(gòu)特征分析

　　孔結(jié)構(gòu)特征

　　通過氮氣吸附–脫附實驗發(fā)現(xiàn)，水熱改性并未破壞活性炭的整體孔結(jié)構(gòu)框架，但在微孔和中孔區(qū)域引起了明顯變化。與原始活性炭相比，MH表現(xiàn)出更高的微孔體積、更合理的孔徑分布這種孔結(jié)構(gòu)特征有利于APAP分子在孔道中的進入、擴散和滯留，為吸附過程提供了更多有效位點。

　　表面化學(xué)組成變化

　　XPS與元素分析結(jié)果顯示，MH樣品中表面氧含量顯著降低，C/O比明顯升高。這一結(jié)果表明，水熱處理在一定程度上去除了活性炭表面的含氧官能團，使碳表面更加富碳化。

　　作者指出，這種“去氧化”效應(yīng)可能在增強芳香π電子體系連續(xù)性方面起到關(guān)鍵作用，從而影響APAP的吸附行為。

　　對乙酰氨基酚的吸附行為系統(tǒng)分析

　　吸附動力學(xué)行為

　　吸附動力學(xué)實驗結(jié)果表明，無論是原始活性炭還是改性活性炭，APAP的吸附過程均可較好地擬合偽二級動力學(xué)模型，說明吸附過程主要受表面相互作用控制。

　　相比之下，MH的吸附速率明顯更快，表明其表面活性位點更易與APAP分子發(fā)生相互作用。

　　吸附等溫特征

　　等溫吸附實驗顯示，MH對APAP的最大吸附容量顯著高于M。在模型擬合方面：

　　MH更符合Langmuir等溫模型，表明其表面吸附位點分布相對均一，M則更符合Freundlich模型，反映其表面具有較強異質(zhì)性。在實驗條件下，MH對APAP的去除率可達94.3%，顯示出水熱改性對吸附性能的顯著增強作用。

　　pH與溫度影響

　　研究還系統(tǒng)考察了溶液pH(5–7)和溫度(30–40℃)對吸附過程的影響。結(jié)果表明：

　　在較低pH條件下，APAP吸附量更高;隨著溫度升高，吸附容量增加，說明該過程具有吸熱特性。這些現(xiàn)象進一步說明，APAP與碳材料之間的相互作用不僅受表面結(jié)構(gòu)影響，也與溶液化學(xué)條件密切相關(guān)。

　　吸附機理的理論計算解析

　　為從分子層面闡明吸附機制，作者采用密度泛函理論(DFT)對APAP分子在不同碳表面模型上的吸附行為進行了系統(tǒng)模擬。

　　非氧化碳表面的吸附特征

　　在非氧化石墨烯模型中，APAP分子傾向于以平行方式吸附于碳表面，形成穩(wěn)定的π–π堆積結(jié)構(gòu)，其結(jié)合自由能顯著降低，表明該構(gòu)型具有較高穩(wěn)定性。

　　含氧官能團表面的對比分析

　　相比之下，在含氧官能團模型中，APAP與表面之間的相互作用明顯減弱，說明氧官能團的存在不利于π–π堆積的形成。

　　電子結(jié)構(gòu)分析

　　自然鍵軌道分析結(jié)果進一步表明，APAP與碳材料之間的電子相互作用主要集中于π軌道體系，而非局域的極性相互作用，從理論層面證實了π–π相互作用在吸附過程中的主導(dǎo)地位。

　　學(xué)術(shù)意義與工程啟示

　　該研究通過實驗與理論相結(jié)合的方式，系統(tǒng)揭示了水熱改性活性炭對乙酰氨基酚吸附性能提升的內(nèi)在機制，為理解碳基材料吸附藥物污染物提供了重要補充。

　　研究結(jié)果表明，在針對芳香類藥物污染物的吸附材料設(shè)計中，增強π–π相互作用可能比單純引入極性官能團更為有效，這一認識對未來碳材料的定向設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。

　　綜上所述，該研究充分展示了水熱改性在提升活性炭吸附APAP性能方面的優(yōu)勢，并從分子尺度闡明了其作用機理。研究成果為藥物污染物的高效去除及碳基吸附材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

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