科技创新

第一作者：于承泽

通讯作者：侯佳奇 席北斗

通讯单位：中国环境科学研究院

论文DOI:

10.1002/sus2.70078

文章导读：

石油污染场地中的含油污泥和多环芳烃（PAHs）污染是两类典型环境风险源，实现二者协同治理是污染场地可持续修复的重要方向。热解炭因来源广泛、成本低廉且环境友好，在有机污染物吸附去除方面受到广泛关注。但未经改性的热解炭通常存在表面功能位点不足、对疏水性PAHs亲和力较弱、吸附速率偏慢等问题。针对这一挑战，我院席北斗院士团队以含油污泥共热解残渣为基础，通过APTES表面功能化改性，构建了废弃物衍生功能炭材料，实现了含油污泥资源化利用与以蒽为代表的PAHs快速高效去除。相关研究以“Waste-Derived Functional Carbon for Rapid PAHs Removal: A Sustainable Pathway for Co-Remediation and Resource Valorization of Oily Sludge”为题在SusMat发表。

文章亮点：

1.通过含油污泥与木屑共热解制备共热解炭（CPC），实现了含油污泥危险废物资源化利用，并为石油污染废水治理提供了废弃物衍生吸附材料。

2.通过APTES表面功能化构建疏水改性功能炭APTES/CPC，显著提升了材料对蒽的亲和力和吸附性能。

3.APTES/CPC可在1 min内实现蒽的快速吸附，并在10 min内达到吸附平衡，展现出用于石油污染废水快速处理的应用潜力。

4.通过材料表征和DFT理论计算揭示了APTES/CPC的潜在吸附机制，证明其吸附过程由以π–π作用为主的物理吸附转变为物理与化学吸附的协同。

主要内容：

1．含油污泥共热解制备CPC材料

2．热解温度调控材料结构演化

在不同热解温度条件下，对CPC的结构演化过程进行了研究。结果表明，在300-500°C低温阶段，材料仍保留较多残余有机组分，整体结构较为致密；随着温度升高，挥发性组分逐步释放，材料孔隙结构逐渐形成并不断发育。在600-900°C区间，CPC逐渐形成较为稳定的多孔结构，结构逐渐趋于完善。同时，不同热解温度对材料表面性质产生明显影响。随着温度升高，CPC表面由疏水性逐渐向亲水性转变，水接触角明显降低。基于这一变化，研究进一步对高孔隙结构CPC开展后续改性处理，以提升其对石油烃污染物的吸附适配性。

图2.（A）含油污泥共热解过程中50–500°C阶段挥发产物的三维TG-IR光谱。（B–H）不同热解温度下所得CPC的SEM图像。（I）不同热解温度下所得CPC的水接触角变化。

3．APTES表面改性构建功能炭材料

进一步采用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）对CPC进行后处理表面功能化改性，构建了APTES/CPC功能炭材料。在改性过程中，APTES通过水解与缩合反应引入硅氧结构及含氮官能团，使材料表面化学组成发生重构。对改性前后材料的表征分析显示，APTES/CPC中成功引入Si（2.74%）与N（1.94%）元素， C–O、C=O及Si–O–Si等结构比例增加，检测到C–Si–O及胺基相关结构信号，表明改性过程实现了有效负载。同时，材料表面疏水性发生显著改变，水接触角由未改性状态大幅提升至130.19°，说明表面疏水性显著增强。

图3.（A）CPC和APTES/CPC与水的接触角。（B）CPC和APTES/CPC的XPS全谱图。（C–F）APTES/CPC的C 1s、O 1s、Si 2p和N 1s高分辨XPS光谱。

4．PAHs吸附性能与吸附动力学对比

对CPC与APTES/CPC进行了典型多环芳烃（以蒽为代表）的吸附性能测试。结果显示，未改性CPC对蒽的吸附容量相对有限，而经过APTES改性后，材料吸附性能显著提升，其最大吸附量达到15.52 mg/g，为未改性CPC的2.11倍。在动力学表现方面，APTES/CPC表现出明显加速特征，可在1 min内实现10.60 mg/g的快速吸附，并在10 min内达到吸附平衡，而未改性CPC需要更长时间才能达到稳定状态。与现有文献相比，该材料在1 min内对蒽的吸附表现出明显优势，表面功能化显著提升了材料对多环芳烃的快速去除能力与整体吸附效率。

图4. （A）热解温度（300–900°C）对CPC蒽吸附性能的影响。（B）CPC和APTES/CPC对蒽的吸附性能对比。（C-D）CPC与APTES/CPC对蒽吸附的动力学拟合。

5．吸附行为与作用机制分析

通过密度泛函理论（DFT）对不同功能基团修饰CPC对蒽吸附行为进行了计算分析。结果表明，与未改性CPC相比，乙氧基修饰结构对蒽表现出更强的吸附能力，其吸附能达到-2.03 eV。进一步分析不同材料在吸附过程中的电子结构变化发现，未改性CPC中蒽主要通过π–π相互作用吸附在碳材料表面；而在APTES/CPC中，蒽与材料界面之间发生更明显的电子作用，吸附过程呈现出不同程度的界面相互作用增强现象。综合吸附过程分析表明，未改性CPC主要通过孔填充、疏水作用及π-π相互作用实现吸附，而APTES改性后材料表面性质发生改变，使吸附过程表现出更强的界面作用特征，从而提升材料对PAHs的吸附速率与稳定性，使其在快速去除污染物场景中具有更好的应用表现。

图5. （A）CPC 与蒽相互作用的差分电荷密度图。（B）CPC-蒽体系的投影态密度（PDOS）图。（C）APTES/CPC-蒽体系的差分电荷密度图。（D）沿 z 轴方向的平均电荷密度差分曲线。

研究结论：

研究表明，APTES改性显著提升了CPC的表面疏水性和蒽吸附性能，使其最大吸附量提高至未改性CPC的2.11倍，并可在1 min内实现快速吸附、10 min内达到吸附平衡。结合表征分析和DFT理论计算，研究进一步揭示了乙氧基官能团在增强界面作用、促进电子重排和提高吸附稳定性方面的关键作用。该工作为含油污泥高值资源化利用和石油污染废水快速处理提供了新的材料设计思路，也为石油污染场地固体废物与水相有机污染物的固-水协同治理提供了技术参考。未来，随着该策略进一步拓展至真实含油废水、多组分PAHs和复杂环境体系，并持续优化材料再生与规模化制备过程，该技术有望为石油污染场地修复和含油废水治理提供新的解决方案。

作者简介：

第一作者：

于承泽，中国环境科学研究院与天津大学联合培养博士研究生、新加坡国立大学国家公派留学生，主要研究方向为固体废物资源化与污染场地修复。

通讯作者：

席北斗，中国工程院院士、博士生导师、中国环境科学研究院院长，主要从事固体废物处置与资源化研究。光华工程科技奖、国家杰出青年科学基金获得者，入选国家高层次人才特殊支持计划、全国杰出专业技术人才；获国家技术发明奖一等奖1项、国家科技进步奖二等奖1项、国家技术发明奖二等奖2项、省部级一等奖5项。以第一/通讯作者发表学术论文400余篇，出版中英文著作15部，获授权国家发明专利近200件。

侯佳奇，博士、副研究员，主要从事固体废物资源循环利用与新污染物风险评估。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等国家级、省部级科研项目9项；在Science Advances（高被引、ESI前0.1%热点论文）、Water Research、Science Bulletin、Journal of Hazardous Materials、SusMat等国际权威期刊发表论文49篇，出版中英文专著4部，编制技术指南4项；获授权发明专利14项，获纽伦堡国际发明金奖、发明创业创新奖一等奖。入选国家留学基金委清洁能源拔尖创新人才，获2025年中国环境科学学会青年科学家奖。