活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭改性增强对乙酰氨基酚的吸附

　　新兴药物污染物的环境问题

　　随着现代医疗体系的发展和药物消费水平的持续上升，药物类化合物在环境介质中的残留问题逐渐受到广泛关注。不同于传统污染物，药物污染物通常具有生物活性强、环境浓度低但长期存在的特征，因此即使在极低浓度下，也可能对水生生物、生物多样性以及人类健康造成潜在风险。

　　在众多药物污染物中，对乙酰氨基酚(Acetaminophen，APAP)因其使用范围广、消费量大，被认为是最具代表性的目标化合物之一。研究表明，APAP可通过生活污水、医院废水以及制药工业废水进入水体环境，并在污水处理厂出水中持续检出。这一现象表明，现有污水处理体系对APAP的去除仍存在明显不足。

　　对乙酰氨基酚的理化性质与处理难点

　　APAP分子结构中同时含有芳香环结构和极性官能团(羟基与酰胺基)，使其在水环境中表现出较为复杂的行为特征。一方面，芳香结构赋予其一定的疏水性和π电子体系;另一方面，极性官能团又使其具备较强的亲水性和可电离特性。

　　正是这种结构上的“双重特性”，导致APAP在传统生物处理过程中表现出不稳定的去除效率，在某些条件下可被微生物部分降解，在运行条件变化或毒性抑制下则可能显著降低去除率。此外，APAP的部分降解中间产物仍可能具有生物活性，使问题更加复杂。

　　吸附法在药物污染物去除中的优势

　　相比生物处理，高级氧化、电化学处理等技术虽可实现较高去除率，但普遍存在能耗高、运行成本高或副产物控制困难等问题。相比之下，吸附法因其工艺简单、操作灵活、适用于低浓度污染物处理，被认为是药物污染物深度处理和末端控制的重要技术手段。

　　在众多吸附材料中，活性炭因其：发达的孔隙结构、较高的比表面积、良好的化学与热稳定性。而被广泛应用于水处理工程中。然而，商业活性炭并非对所有有机污染物都具有理想吸附性能，其吸附效果与材料表面化学性质及孔结构高度相关。

　　活性炭表面化学性质对吸附的影响

　　已有研究指出，活性炭表面的含氧官能团在吸附过程中可能发挥“双刃剑”作用。一方面，羧基、羟基等官能团可通过氢键或静电作用增强对某些极性污染物的吸附;另一方面，这些官能团也可能破坏碳材料的芳香π电子体系，从而削弱对芳香类污染物的π–π相互作用。

　　对于APAP这类同时具有芳香环与极性基团的分子而言，究竟哪种相互作用在吸附过程中占主导地位，仍缺乏统一认识。这也成为活性炭改性研究中的一个关键科学问题。

　　水热改性活性炭的研究思路

　　在该研究中，作者选用商业活性炭作为原始材料(记为M)，采用水热处理方法对其进行改性，制备得到改性活性炭(记为MH)。水热改性具有以下特点：不引入额外化学试剂、操作条件相对温和、有利于调控孔结构和表面官能团分布。

　　研究的核心假设在于：通过水热改性降低表面含氧官能团含量、增强碳表面的芳香性，有望强化APAP与碳材料之间的π–π相互作用，从而提升吸附性能。

　　改性前后活性炭结构特征分析

　　孔结构特征

　　通过氮气吸附–脱附实验发现，水热改性并未破坏活性炭的整体孔结构框架，但在微孔和中孔区域引起了明显变化。与原始活性炭相比，MH表现出更高的微孔体积、更合理的孔径分布这种孔结构特征有利于APAP分子在孔道中的进入、扩散和滞留，为吸附过程提供了更多有效位点。

　　表面化学组成变化

　　XPS与元素分析结果显示，MH样品中表面氧含量显著降低，C/O比明显升高。这一结果表明，水热处理在一定程度上去除了活性炭表面的含氧官能团，使碳表面更加富碳化。

　　作者指出，这种“去氧化”效应可能在增强芳香π电子体系连续性方面起到关键作用，从而影响APAP的吸附行为。

　　对乙酰氨基酚的吸附行为系统分析

　　吸附动力学行为

　　吸附动力学实验结果表明，无论是原始活性炭还是改性活性炭，APAP的吸附过程均可较好地拟合伪二级动力学模型，说明吸附过程主要受表面相互作用控制。

　　相比之下，MH的吸附速率明显更快，表明其表面活性位点更易与APAP分子发生相互作用。

　　吸附等温特征

　　等温吸附实验显示，MH对APAP的最大吸附容量显著高于M。在模型拟合方面：

　　MH更符合Langmuir等温模型，表明其表面吸附位点分布相对均一，M则更符合Freundlich模型，反映其表面具有较强异质性。在实验条件下，MH对APAP的去除率可达94.3%，显示出水热改性对吸附性能的显著增强作用。

　　pH与温度影响

　　研究还系统考察了溶液pH(5–7)和温度(30–40℃)对吸附过程的影响。结果表明：

　　在较低pH条件下，APAP吸附量更高;随着温度升高，吸附容量增加，说明该过程具有吸热特性。这些现象进一步说明，APAP与碳材料之间的相互作用不仅受表面结构影响，也与溶液化学条件密切相关。

　　吸附机理的理论计算解析

　　为从分子层面阐明吸附机制，作者采用密度泛函理论(DFT)对APAP分子在不同碳表面模型上的吸附行为进行了系统模拟。

　　非氧化碳表面的吸附特征

　　在非氧化石墨烯模型中，APAP分子倾向于以平行方式吸附于碳表面，形成稳定的π–π堆积结构，其结合自由能显著降低，表明该构型具有较高稳定性。

　　含氧官能团表面的对比分析

　　相比之下，在含氧官能团模型中，APAP与表面之间的相互作用明显减弱，说明氧官能团的存在不利于π–π堆积的形成。

　　电子结构分析

　　自然键轨道分析结果进一步表明，APAP与碳材料之间的电子相互作用主要集中于π轨道体系，而非局域的极性相互作用，从理论层面证实了π–π相互作用在吸附过程中的主导地位。

　　学术意义与工程启示

　　该研究通过实验与理论相结合的方式，系统揭示了水热改性活性炭对乙酰氨基酚吸附性能提升的内在机制，为理解碳基材料吸附药物污染物提供了重要补充。

　　研究结果表明，在针对芳香类药物污染物的吸附材料设计中，增强π–π相互作用可能比单纯引入极性官能团更为有效，这一认识对未来碳材料的定向设计具有重要指导意义。

　　综上所述，该研究充分展示了水热改性在提升活性炭吸附APAP性能方面的优势，并从分子尺度阐明了其作用机理。研究成果为药物污染物的高效去除及碳基吸附材料的结构调控提供了坚实的理论基础。

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