水葫芦2秒闪蒸制备类石墨烯，Cr(III)去除率超95%

2026年6月23日，伊拉克巴格达大学的Amjed Sabah Kamil Janabi（通讯作者）在《Next Materials》期刊上发表题为”Flash Joule heating synthesis of water hyacinth-derived graphene-like carbon for efficient Cr (III) removal: Integrated batch, fluidized bed, and artificial neural network modeling approach”的研究论文。该研究针对水体中难降解、易生物富集的三价铬Cr(III)污染问题，以入侵植物水葫芦为原料，通过”热解碳化＋闪蒸焦耳热（FJH）”两步法，在约2秒的电脉冲热冲击下将生物质碳重构为类石墨烯多孔碳（WHAF），比表面积从23.9 m²/g提升至101.9 m²/g；优化条件下批式吸附去除率超过95%，并在连续流化床反应器中验证了放大可行性，进一步引入人工神经网络（ANN）实现去除效率的精准预测（R≈1），打通了”材料合成—反应器设计—智能建模”的全链条。

研究背景

1. 铬污染难缠

Cr(III)广泛存在于皮革鞣制、钢铁、电镀和纺织印染废水中，具有毒性、持久性和生物累积性，一旦进入水体便沿食物链富集，传统处理方法难以彻底清除。

2. 传统工艺有短板

膜过滤、化学沉淀、生物法和电化学法虽常用，但普遍受限于成本高、操作复杂和易产生二次污染，吸附法因此成为高效灵活的替代方案。

3. 吸附剂是核心瓶颈

吸附法好不好，关键看材料。生物质碳来源广、价格低，但常规热解碳比表面积小、孔隙少、活性位点有限，吸附容量上不去。

4. 水葫芦”变废为宝”的契机

水葫芦（Eichhornia crassipes）是繁殖失控的入侵植物，富含纤维素和半纤维素，是制备富碳吸附剂的理想前驱体——用它做吸附剂，等于”用一种环境灾害去治理另一种污染”。

研究方法

1. 热化学预碳化

从伊拉克Al-Kut幼发拉底河采集水葫芦，洗净烘干研磨后，先在CO₂气氛（1 L/min）下250 ℃碳化1 h防止氧化，再在N₂气氛（1 L/min）下150 ℃活化1 h，得到多孔的预碳化活性炭。

2）闪蒸焦耳热（FJH）重构

将约5 g活性炭置于派热克斯玻璃管中，两端连接铜电极与高压电容放电单元；电容充电至设定电压（460×4 V）后瞬间释放，产生约2 s的快速热冲击脉冲，每次运行重复8–10次。超快电热脉冲像”闪电鞭打”一样，瞬间打乱并重构碳骨架，将其转化为类石墨烯结构（WHAF）。

图1：水葫芦基类石墨烯（WHAF）合成路线示意图

3. 批式吸附＋连续流化床双验证

批式实验系统考察pH、投加量、接触时间、搅拌速率、初始浓度和温度对Cr(III)去除的影响；连续实验在高55 cm、内径9 cm的玻璃流化床柱中进行，考察床层高度（1–3 cm）、流速（0.1–0.3 L/min）和粒径（250 µm–1 mm）对穿透行为的影响。

4）人工神经网络预测建模

采用多层感知机（MLP）架构（输入层—隐藏层—输出层），基于IBM SPSS Statistics 26构建模型，数据按70%训练集、30%测试集划分，并分别针对1、2、3 cm三种床高建立独立ANN模型，输出层直接预测去除效率。

研究结果

1. 2秒”闪蒸”后，碳材料脱胎换骨

XRD显示，闪蒸焦耳热处理后原本宽弱的馒头峰变得尖锐，结晶度显著提升，微晶尺寸从7.6 nm长大到15.2 nm，说明无序碳快速重排为更有序的石墨化结构；BET测试显示比表面积从23.9 m²/g暴增至101.9 m²/g，总孔容从0.041 cm³/g跃升至2.12 cm³/g；SEM图像进一步证实形貌由疏松破碎变为致密平整、缺陷减少，同时FTIR显示表面出现了对金属离子具有高亲和力的O–H、N–H等官能团——位点更多、”抓手”更强，吸附的硬件基础就此奠定。

2. 批式吸附：优化条件下去除率超95%

在中性pH 7这一最具实际环境意义的条件下，去除率达91.47%（pH 9时93.47%，但部分来自碱性条件下铬的氢氧化物沉淀）；最佳投加量为1 g（去除率94.06%、吸附容量4.703 mg/g），约80 min达到吸附平衡，最大去除率95.7%；搅拌速率提高至300 rpm时去除率达96.82%（边界层变薄、传质加快）；升温至45 ℃时去除率最高达96.21%，证明该吸附为吸热过程，温度越高越有利。

3. 吸附机理：化学吸附主导的非均相表面过程

四种等温线模型中，Freundlich模型拟合最优（R²=0.952，优于Langmuir的0.917），说明WHAF表面能量分布不均、吸附发生在非均相表面上；动力学方面，准二级动力学模型拟合度最高（R²=0.998），表明化学吸附（表面配位、离子交换）是速率控制步骤；Van’t Hoff热力学分析显示ΔH°为正值，进一步印证吸热本质，升温可通过加快Cr(III)离子迁移和孔道可及性来提升吸附。

4. 连续流化床＋ANN：

从烧杯走向工业，还带”AI导航”。 连续流化床穿透实验表明：床层高度从1 cm增至3 cm，穿透时间与耗竭时间显著延长（活性位点更多、传质区更充分）；流速从0.1增至0.3 L/min则穿透提前（接触时间不足）；250 µm小颗粒比600 µm、1 mm大颗粒穿透更晚、效率更高。穿透曲线以Bohart–Adams模型拟合最佳（R²=0.978）。更亮眼的是ANN模型：预测值与实验值高度吻合，相关系数R≈1（各模型线性拟合R²达0.993–0.996），无需机理假设即可精准捕捉非线性吸附行为，性能优于传统模型。

展望

1. 为入侵植物资源化提供新范式：

“水葫芦→类石墨烯→净水材料”的路径兼具环境修复与废物高值化双重意义，FJH法秒级、低能耗的特点使其具备规模化潜力。

2. 面向真实工业废水：

连续流化床验证了动态工况下的可行性，未来可面向电镀、制革等真实含铬废水开展中试，并考察多组分共存离子干扰。

3. AI驱动的工艺优化：

ANN可在未实验条件下预测最优床高、流速与接触时间，大幅减少试错实验，未来可引入随机森林、支持向量机等算法对比并拓展至更大规模数据集。

4. 表征与机理仍可深挖：

作者指出后续可借助Raman、XPS、HRTEM进一步确证石墨层结构与缺陷分布，并在更宽温度区间完善热力学参数，让”类石墨烯”的称谓更加名副其实。

DOI：10.1016/j.nxmate.2026.102562