《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The conversion of organic pollutants in waste salt to carbon quantum dots and study on its fluorescence quantitative detection on DMHF
编辑推荐：
有效去除工业废盐中的有机污染物是资源化利用的关键，本研究提出通过200℃低温热解将钠氰乙酸（SCA）转化为荧光碳量子点（CQDs），尿素N掺杂使量子产率提升至31.36%。CQDs@SiO?涂层对2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮（DMHF）的检测限达24.42 mg/L，并在实际活性污泥系统中验证了92.87%-108.16%的高回收率与3.5%-4.2%的相对偏差率。
曹凌云|费雪宁|白秋|李梅彤|谢玉红|袁文娇|魏峰
天津工业大学化学与化学工程学院，中国天津300384
摘要
有效去除有机污染物是废盐再利用的关键前提，然而，传统方法主要集中在有机污染物的分解上，而非转化和利用。本文提出了一种将有机污染物转化为功能性碳材料的策略。通过200℃的热解，将固体NaCl废盐中的氰乙酸钠（SCA）转化为荧光碳量子点（CQDs），并通过尿素氮掺杂改善了其荧光性能。实验结果表明，氮掺杂后的CQDs荧光强度显著提高，量子产率从5.83%提升至31.36%。随后制备了一系列含有不同比例SCA的模拟废盐（NaCl + 10%-50% SCA）CQDs，研究了SCA质量比对它们光学性质的影响。这些CQDs表面涂覆了SiO2，并作为荧光探针用于检测DMHF的定量分析。DMHF与废水处理微生物群落中的群体感应信号分子具有相同的核心结构基序。实验表明，CQDs@SiO2可通过静态荧光猝灭机制定量检测DMHF（浓度范围40–1000?mg/L），检测限为24.42?mg/L。此外，在实际活性污泥系统中的回收测试显示，CQDs@SiO2能够准确检测浓度为100–400?mg/L的DMHF，回收率在92.87%-108.16%之间，相对偏差率RSD为3.5%-4.2%。
引言
由于含有重金属和有机污染物，工业废盐被归类为危险废物[1],[2]，主要来源于煤化工[3]、石油化工[4]、制药和农药化工[5],[6],[7]等领域。据报道，中国每年产生的工业废盐（主要为NaCl和Na2SO4）超过2000万吨[2],[8],[9]，且呈持续增长趋势。这些废盐的不当处置和直接排放会对土壤和地下水等环境造成严重危害[10],[11],[12]。
目前，工业废盐的主要处理方法包括安全填埋[13]、高温焚烧（800–1200°C）、低温热解（300–800°C）[9],[14],[15]和非热处理[5],[16],[17]。其中，安全填埋成本相对较低，但会占用大量土地资源且存在渗漏污染风险，因此不是可持续的解决方案。高温焚烧能有效降解有机污染物，但能耗较高，可能导致大量CO2排放和二次污染物（如二噁英和NOx）的产生。非热处理方法适用于有机污染物含量较低、对回收盐纯度要求不高的废盐，也可作为废盐热处理前的预处理工艺[6]。低温热解能在较低温度下分解有机污染物，总有机碳（TOC）去除率可达95%以上[9],[15],[18]。
研究表明，有机污染物主要分布在盐颗粒表面和内部[2]，它们形成了“碳源+盐模板+反应介质”的复合体系，这与利用盐作为模板制备功能性碳材料的机制类似[19],[20],[21],[22]。基于此，我们提出了“能否通过低温热解将工业废盐中的有机污染物转化为功能性碳材料”的研究思路。本文在200℃下热解含有氰乙酸钠（SCA）的NaCl废盐，期望其中的有机污染物能转化为广泛应用于生物成像和标记[23],[24],[25],[26]、金属离子检测荧光传感器[27],[28],[29]以及光电器件[31],[32]的碳量子点（CQDs）。我们对制备的CQDs的光学性质和结构进行了表征，并基于其荧光特性，将其作为探针用于检测2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮（DMHF），该物质与废水处理微生物群落中的群体感应信号分子具有相同的结构基序[33],[34]。
材料
NaCl废盐来自一家制药公司的氰酸生产过程。其他试剂氰乙酸钠（SCA）、尿素（99%）、NH3·H2O（26%）、2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮（DMHF，98%）、硫酸奎宁（>99%）、四乙基正硅酸盐（TEOS，99%）和3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES，98%）均从市场购买，无需纯化即可使用。
NaCl废盐的分析
采用重量法测定了NaCl废盐中的有机污染物含量。
制备条件的优化
不同热解温度和时间下制备的废盐基CQDs的荧光发射光谱和量子产率（QY）分别见图S4和图1。结果表明，当热解温度在180–220℃范围内时，CQDs的荧光强度和量子产率先增加后逐渐下降，最高量子产率（5.83%）出现在200℃时。当热解温度进一步升高至220℃时，量子产率有所下降。
结论
在200℃的热解条件下，NaCl废盐中的有机污染物SCA成功转化为发射波长为385?nm、量子产率为5.83%的荧光CQDs，通过尿素氮掺杂后量子产率进一步提高至31.36%。表征结果显示，制备的CQDs为石墨烯结构，平均粒径为3?nm。
本研究探讨了SCA质量比对CQDs光学性质的影响，并探索了其潜在应用。
作者贡献声明
谢玉红：撰写、审稿与编辑。
魏峰：项目管理。
袁文娇：撰写、审稿与编辑。
费雪宁：概念构思。
曹凌云：撰写、原始草案、数据整理、概念构思。
李梅彤：监督、项目管理。
白秋：软件开发、数据整理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了“天津市科学技术计划”[资助编号24ZXTKSN00080、24YFXTHZ00270、23YFZXYC00019]和“江西省重点研发计划”[20232BBG70008]的支持。
