甘蔗渣衍生活性炭吸附卡马西平与对乙酰氨基酚：实验优化与π–π堆叠机制研究

　　本研究通过KOH活化甘蔗渣制备高性能活性炭（AC-SCB），利用多变量实验优化与半经验量子计算揭示其对卡马西平（CBZ）和对乙酰氨基酚（PCM）的吸附机制（Langmuir/Redlich–Peterson模型，伪二级动力学），为农业废弃物资源化与药物污染控制提供技术支撑（吸附容量达298.57/249.71 mg/g，表面积1102 m2/g）。

　　

Highlights

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  甘蔗渣衍生活性炭（AC-SCB）展现高比表面积（1102 m²/g）与分级孔隙结构。
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  在90分钟内对卡马西平（CBZ）和对乙酰氨基酚（PCM）去除率≥90%。
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  CBZ吸附符合Langmuir模型，PCM符合Redlich–Peterson模型，动力学遵循伪二级模型。
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  量子计算揭示吸附机制：π–π堆叠（π–π stacking）、氢键作用与孔隙内污染物簇集。

Conclusions

甘蔗渣衍生的KOH活化活性炭（AC-SCB）被证明是一种高效可持续的吸附剂，用于去除水体中的卡马西平（CBZ）和对乙酰氨基酚（PCM）。其分级多孔结构、高比表面积和表面氧官能团实现了与污染物的强相互作用，在优化条件下最大吸附容量分别达到298.57 mg/g（CBZ）和249.71 mg/g（PCM）。

多变量优化确定最佳吸附条件为：剂量0.1 g/L、pH 7、接触时间90分钟，在此条件下CBZ和PCM的去除率均超过90%。吸附等温线显示CBZ为单层吸附（Langmuir），PCM为异质表面吸附（Redlich–Peterson），动力学表明化学吸附主导过程（伪二级模型）。

通过半经验量子计算进一步阐明分子机制：CBZ和PCM通过π–π堆叠与芳香域稳定结合，在酚羟基和羧基位点形成氢键，并在类孔隙环境中发生污染物簇集。该实验-理论结合的策略为生物质炭吸附药物提供了分子层面的机制创新，强调AC-SCB在未来水处理应用中的技术竞争力与环境相关性。