莲蓬壳为原料制备石墨烯气凝胶，用于染料废水处理

1成果简介

水溶性染料，包括孔雀石绿（MG），在废水处理中构成重大挑战，迫切需要开发高效去除策略。本文，东北大学高波 教授、Ali Reza Kamali等研究人员在《Separation and Purification Technology》期刊发表名为“Magnetic graphene aerogel derived from lotus seedpod-based activated carbon: A promising adsorbent for malachite green removal in wastewater treatment”的论文，研究首次报道了基于莲蓬壳活性炭（LSAC）与空心CuFe₂O₄纳米球共改性石墨烯气凝胶（MLGA）制备的新型磁性复合吸附剂。该吸附剂材料通过高效碱活化热解法合成，随后采用一步法溶剂热静电共组装技术，实现对MG的有效去除。在该吸附剂中，LSAC作为增强剂和桥接剂，通过促进三维分级多孔网络结构的形成，有效防止石墨烯纳米片聚集。因此，LSAC使MLGA具备了多种优良性能，包括超亲水性（水接触角为0°）、高比表面积（406.31 m²/g）、丰富的含氧官能团以及强磁性（磁饱和值Ms为45.83 emu/g）。

通过批次实验研究了pH值（2～6）、初始染料浓度（25～250 mg/L）、吸附剂用量（0.1～0.6 g/L）、温度（25～45 °C）及接触时间（15～420 min）对吸附效率的影响。吸附过程符合Langmuir吸附等温线和伪二级动力学模型。MLGA对MG的吸附机制主要由π-π相互作用、氢键、静电吸引和孔隙填充驱动，在25°C时可达到1023.04 mg/g的最大吸附容量，超过了大多数已报道的生物质基石墨烯吸附剂的吸附容量。MLGA的吸附性能稳定，经过12次连续吸附-脱附循环后仍保留85.2%的初始吸附容量。此外，通过磁控技术可实现定向吸附，即使在极端环境下也能轻松回收吸附剂。综上所述，低成本的MLGA吸附剂具有高吸附容量和优异的可回收性，为农业废弃物的增值利用提供了有前景的方法，并在染料废水处理方面展现出显著潜力。

2图文导读

图1. The process employed for the preparation of MLGA.

图2. (a) XRD, (b) Raman and (c) FTIR spectra of GO, LSAC, MGA and MLGA. (d) Room temperature magnetization hysteresis curves of MLGA and CuFe2O4.

图3. TEM, SEM and AFM images of graphene oxide.

图4. SEM images of (a-b) LSAC, (c-d) MGA, and (e-f) MLGA.

图5. TEM images of (a and b) MLGA; (c-f) Elemental mapping images of Cu, Fe, O in-plane of MLGA; (g) HRTEM image of MLGA.

图6. Effect of (a) dye concentration, (b) pH on the Qe of MGA and MLGA for MG adsorption, (c) Zeta potential of MGA and MLGA, and (d) the value of Qe for MGA and MLGA at different dosage of adsorbent.

图7、Adsorption isotherms of MG dye onto MLGA at 25 ℃ (a), 35 ℃ (b), and 45 ℃ (c).

图8、The main adsorption mechanism of MG dye onto MLGA.

3小结

综上所述，我们成功地通过碱活化-热解法结合一步法溶剂热静电共组装方法，制备了一种新型磁性莲子壳基活性炭/石墨烯气凝胶复合吸附剂（MLGA）。将莲蓬基活性炭引入石墨烯气凝胶中，显著提升了其处理水环境中MG染料的性能。该气凝胶具有三维复杂多孔网络结构、超亲水性及高比表面积（406.31 m²/g），这些特性共同促进了废水在材料内部的扩散与质量传递。这使得通过其高度可及的表面活性位点实现高效快速的染料吸附，MG的最大吸附容量达1023.04 mg/g，优于现有文献中报道的类似吸附剂。MG在MLGA上的吸附行为符合Langmuir吸附等温线和伪二级动力学模型，表明单分子层化学吸附是吸附的主要机制。此外，经过12次吸附-脱附循环后，MLGA对MG的吸附容量仍保持在初始容量的85.2%，且吸附剂可通过外部磁铁轻松从水中分离。此外，通过使用海水、自来水、河水及污水处理厂排放水作为实际水样，评估了MLGA对MG的去除效率，所有情况下均实现了超过477.5 mg/g的吸附容量。因此，该吸附剂具有广泛的环境适用性。此外，通过外部磁场可实现快速固液分离，凸显了该材料的实用性和可持续性。结合XRD、FTIR、XPS、zeta电位和吸附建模，证实MLGA与MG之间的相互作用主要由静电吸引、氢键、孔隙填充效应和π-π堆积协同作用主导。本研究成功实现了利用生物质废弃物的目标，并为高效、低成本的染料废水处理提供了新型吸附剂。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.133982

来源：材料分析与应用