后合成官能化KOH活化碳与季铵基团以改善单价金吸附

活化碳（AC）因其良好的物理化学和吸附性能，已被广泛应用于金回收，并仍是最受青睐的吸附剂。在各种可用的活化剂中，据报道KOH能生产出具有高产率、明确孔径、超高比表面积和高反应性的AC。本研究旨在通过环境友好方法，将农业废弃物前驱体转化为高附加值的AC，通过后合成季铵基团对KOH-AC进行官能化，以提高对二氰合金酸钾（1）配合物中即K[Au(CN)₂]中所含单价金的吸附效率。合成过程始于氮气环境下的预碳化和活化，随后进行化学官能化。通过表征和批次吸附（batch adsorption）研究，考察了结晶度、孔隙结构、原子结合能态和Au(I)负载能力。实验最大平衡吸附容量为513.52 ± 18.52 mg g⁻¹；然而，根据Langmuir等温线模型，该值可能进一步达到749.28 ± 34.79 mg g⁻¹。最终，使用1 M KCN和NaOH的混合物对废AC进行解吸再生是可能的，使其具备大规模应用潜力。

基于农业废弃物（橙皮）衍生碳材料的资源化利用与高效金回收需求，研究人员针对传统活性炭在吸附金氰化物复合物方面容量和选择性的不足，开展了一项通过后合成季铵功能化提升KOH活化碳吸附性能的研究。本研究的核心在于开发一种高效、可再生且环境友好的吸附剂。

为开展研究，研究人员采用了多个关键的技术路径。首先，以橙皮为前驱体，在氮气气氛下经预碳化和KOH化学活化（800 °C）制备了基础活性炭（OPAC）。随后，在碱性条件下，利用（3-氯-2-羟丙基）三甲基氯化铵（CHPTAC）对OPAC进行阳离子化反应，成功在其表面接枝季铵基团，制备了季铵功能化活性炭（A-OPAC）。研究通过一系列先进表征技术，包括场发射扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱（FE-SEM/EDX）、X射线衍射（XRD）、氮气吸附-脱附（BET）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS），系统分析了材料的形貌、结构、化学组成及吸附机理。吸附性能评估在碱性条件（pH 10.5–11）下，通过批次吸附实验完成，使用二氰合金酸钾（K[Au(CN)₂]）作为金源。

**研究结果**

**形貌与元素表征：** FE-SEM/EDX分析显示，原橙皮（OP）表面粗糙，而A-OPAC具有丰富的多孔结构。吸附金后，孔隙中填充了Au(I)复合物。EDX谱图中出现Au和K元素峰，直接证实了K[Au(CN)₂]和[Au(CN)₂]⁻的成功吸附。

**结晶度、织构与官能团表征：** XRD图谱在2θ = 24.5°附近出现归属于石墨碳（002）晶面的宽峰，表明材料具有一定程度的石墨化结构，且该结构在吸附前后保持稳定。吸附后未出现代表单质金（Au(0)）的衍射峰，表明金以单价态（Au(I)）被吸附。BET分析显示A-OPAC为I型吸附等温线，微孔（平均孔径约1.0 nm）占主导。FTIR光谱证实了预碳化、活化及胺基功能化的有效性。

**XPS表征与金氰化物吸附机理：** 高分辨率XPS分析是阐明吸附机理的关键。C 1s谱中出现的π–π*卫星峰在吸附后发生位移，表明π–π相互作用参与了吸附过程。N 1s谱显示功能化后引入了多种含氮基团，如吡啶氮、吡咯氮、石墨氮/季铵氮等，这些带正电荷的基团是吸附的主要活性位点。Au 4f谱在吸附后出现一对自旋轨道峰（Au 4f_7/2位于84.89 eV，Au 4f_5/2位于88.54 eV），结合能接近+1价金的特征，再次确认了Au(I)的成功吸附。基于此，研究人员提出了“静电吸附主导，π–π相互作用辅助”的协同吸附机理：A-OPAC表面带正电的季铵基团首先通过静电作用捕获阴离子复合物[Au(CN)₂]⁻，随后A-OPAC与该复合物之间的π键发生π–π相互作用，进一步增强了吸附稳定性。

**吸附性能研究：** 功能化过程优化表明，随着CHPTAC用量增加，吸附容量提升，1 mL被选为最佳剂量。吸附动力学实验显示，吸附速率快，约1小时内即可达到平衡，且准二级动力学（PSO）模型能更好地拟合数据（R²=0.997），表明吸附过程以化学吸附为主。颗粒内扩散（IPD）模型分析表明，吸附过程包含快速的表面吸附和较慢的颗粒内扩散两个阶段。吸附等温线实验中，Langmuir模型能良好拟合数据（R²=0.994），预测的最大平衡吸附容量高达749.28 ± 34.79 mg g⁻¹，显著高于实验值（513.52 ± 18.52 mg g⁻¹）及多数文献报道值。解吸再生实验表明，使用1 M KCN与NaOH的混合液作为洗脱剂，A-OPAC在四次“吸附-解吸”循环后仍保持高吸附容量和近100%的解吸效率，展现出优异的可重复使用性。

**总结讨论**

本研究成功合成并功能化了一种从农业废弃物橙皮衍生的高效金吸附剂。与传统的物理或化学改性方法不同，本工作创新性地采用了后合成季铵阳离子化策略，通过CHPTAC将稳定的季铵正电荷锚定在KOH活化碳的表面。这一设计巧妙地解决了在碱性金浸出液环境中，传统含氧官能团因去质子化而失效、不利于吸附阴离子金氰化物的难题。研究人员系统阐明了吸附机理，即静电作用与π–π相互作用的协同效应，并通过详尽的表征予以证实。所制备的A-OPAC不仅展现出超高的吸附容量和优异的吸附动力学，还具备良好的再生性能，为从氰化工艺废液中高效回收贵金属提供了一种有前景的材料选择。该研究将废物利用（橙皮）、绿色活化（KOH）与精准表面工程（季铵化）相结合，为功能化碳材料的设计及其在湿法冶金中的应用提供了重要的理论和实践依据。

研究结论部分指出，源自橙皮的KOH活化碳已成功合成，并通过含季铵基团的CHPTAC经阳离子化反应进一步官能化。通过仪器分析和金氰化物吸附实验证实了胺基的成功引入。功能化后的A-OPAC对Au(I)的吸附容量相较于原始样品有显著提升。容量提升归因于CHPTAC中的季铵基团能在宽pH范围（包括碱性pH）内保持带正电状态，从而与阴离子[Au(CN)₂]⁻复合物发生有效的静电相互作用。因此，吸附过程主要通过表面吸附和颗粒内扩散机制进行，主要依赖于静电和π–π相互作用。准二级动力学模型能更好地描述动力学数据，而Langmuir等温线模型能很好地拟合等温线数据，估算的平衡最大Au(I)吸附量为749.28 ± 34.79 mg g⁻¹，对应R²值为0.994。显著更高的吸附容量和相对较快的动力学（约1小时达到平衡）意味着仅需少量A-OPAC即可回收大量金氰化物，从而体现了高效率和更好的经济收益。最后，通过四次“吸附-解吸”循环研究，利用1 M的KCN与NaOH混合物对载金A-OPAC进行解吸再生，证明其具备大规模应用的潜力。