基于澳洲坚果壳制备的粉末活性炭高效去除饮用水中邻苯二甲酸酯（PAEs）的性能与机制研究

　　本刊推荐：为应对饮用水中新兴污染物邻苯二甲酸酯（PAEs）的污染问题，研究人员开展了以废弃澳洲坚果壳制备粉末活性炭（PAC）吸附去除PAEs的研究。通过优化吸附条件（0.25 g/L投加量），实现了PAEs去除率≥80%、吸附容量≥3.2 mg/g的显著效果，并证实PAEs在PAC表面的吸附导致其比表面积（SBET）从525.89降至497.68 m2/g。该技术为低成本处理PAEs污染提供了工业级解决方案，对保障饮用水安全及可持续发展具有重要意义。

　　

邻苯二甲酸酯（Phthalate Esters, PAEs）是一类广泛用于塑料增塑剂的合成化合物，常见于食品包装、医疗器械和日用化学品中。由于其在环境中持久存在且难以降解，PAEs可通过渗滤、径流和废水排放等途径进入水体系统，最终在饮用水源中累积。这类化合物已被证实具有内分泌干扰效应，可能引发致癌、致突变和生殖毒性等健康风险。尽管美国环境保护署（USEPA）和世界卫生组织（WHO）已将部分PAEs（如DEHP）列为优先控制污染物并设定了限值（6–8 μg/L），但许多发展中国家因检测技术落后和治理成本高昂，尚未建立有效的监控与处理体系。尤其在南非等低收入和中等收入国家（LMICs），饮用水处理厂缺乏针对PAEs的特异性去除工艺，导致这类污染物可能直接进入饮用水中，对公共健康构成潜在威胁。

为应对这一挑战，研究人员探索了多种PAEs处理技术，包括高级氧化、膜过滤和离子交换等。然而，这些方法普遍存在成本高、副产物复杂或操作难度大等问题。吸附法因操作简便、成本低廉和材料易得等优势，被视为最有前景的处理技术之一。其中，活性炭因其高比表面积和可调控的孔隙结构，被广泛用于水中污染物的吸附去除。但现有研究多集中于模拟水体中单一PAEs的去除，缺乏对真实饮用水体系中多种PAEs共存条件下的系统性评估，更鲜有研究将实验室成果推广至工业级应用。

在这一背景下，由Ntsako Dellas Baloyi、Memory Tekere、Vhahangwele Masindi和Khumbudzo Walter Maphangwa组成的研究团队，开展了一项基于澳洲坚果壳制备粉末活性炭（PAC）用于去除饮用水中PAEs的研究。该研究不仅优化了PAC的合成与吸附条件，还通过实验室批式试验和实际水厂验证，全面评估了PAC对多种PAEs的去除性能及机制。相关成果发表于《Dentistry Review》，为PAEs的治理提供了技术依据和工程化方案。

本研究主要采用以下关键技术方法：

1. 1.
   吸附剂制备：通过水热碳化结合物理化学活化法，以废弃澳洲坚果壳为原料合成PAC，碳化温度350°C，活化后经煅烧处理。
2. 2.
   水质采样与处理：从南非比勒陀利亚饮用水处理厂采集真实河水样本，采用批式实验优化PAC投加量（0–1 g/L），并基于水厂水力条件（快搅400 rpm/2 min，慢搅40 rpm/8 min，沉淀30 min）开展试验。
3. 3.
   污染物检测：通过液液萃取-气相色谱火焰离子化检测器（GC-FID）分析PAEs浓度，计算去除率与吸附容量。
4. 4.
   材料表征：利用氮气吸附-脱附（BET法）、X射线荧光光谱（XRF）、扫描电镜-能谱（SEM-EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等技术分析PAC的结构与性质变化。

3.1. Optimization of the PAC dosage

通过批式实验发现，PAC投加量与PAEs去除率呈正相关。当投加量为0.25 g/L时，PAEs去除率达到峰值（80%–100%），其中DMP、DOP、DiNP和DiDP的去除率均为100%，DBP最低（80%）。吸附容量范围为3.2–4.0 mg/g。进一步提高投加量对去除效果无显著改善，表明体系已达吸附平衡。

3.2. Characterisation

3.2.1. Elemental composition by XRF

XRF分析表明，PAC主要成分为碳和挥发性物质（LOI占比83.59%），同时含有少量Si、Al、Ca、Mg等元素，这些可能源自植物生长过程中从土壤吸收的矿物质。

3.2.2. Elemental, functional, and mineralogical properties

EDX和FTIR结果显示PAC表面富含C、O等元素，并存在C-H、C-O、C=O等官能团，表明其具有丰富的吸附位点。XRD谱图显示PAC为无定形碳结构，在2θ=23°和43°处出现石墨化特征峰，证明材料具有一定石墨化程度。

3.2.3. Textural properties

BET测试表明，原始PAC的比表面积（S_BET）为525.89 m2/g，Langmuir比表面积（L_BET）为1146.96 m2/g，总孔容为0.38 cm3/g。吸附PAEs后，S_BET降至497.68 m2/g，L_BET降至965.20 m2/g，总孔容减至0.32 cm3/g，证实PAEs在孔隙内的沉积导致活性位点减少。

3.2.4. Morphological and microstructural properties

SEM图像显示PAC呈不规则球形颗粒，表面粗糙且多孔，这种结构有利于污染物的吸附与扩散。

3.2.5. Elemental mapping

元素分布图进一步验证了C、O、Si、Ca等元素在PAC中的均匀分布，与XRF和EDX结果一致。

4. Industrial scale application and future perspectives

在实际水厂应用中，0.25 g/L PAC投加量使PAEs浓度显著降低，除DBP外，其余PAEs均低于USEPA和WHO限值。结果表明，该技术可用于真实环境下的饮用水处理，但PAC再生与污泥处置仍需进一步优化。

本研究系统论证了澳洲坚果壳衍生PAC对饮用水中PAEs的高效去除能力。通过优化吸附条件与全面表征，揭示了PAEs在PAC表面的沉积机制及其对材料结构的影响。实际水厂验证表明，该技术可有效将PAEs浓度控制在安全限值内，为发展中国家提供了经济可行的水处理方案。未来研究需关注竞争离子效应、成本效益分析及废弃PAC的资源化利用，以推动该技术的规模化应用与环境可持续发展。