柑橘皮磁性生物炭的制备及其对Cr(VI)的高效吸附：表征、性能与机制研究

针对水体中高毒性Cr(VI)污染问题，印度NIT Rourkela团队利用柑橘皮制备磁性生物炭(MBC)及其聚合物改性材料(CMBC/SAMB/PMBC)，通过FTIR、XRD等表征证实功能基团修饰，发现壳聚糖交联MBC(CMBC)吸附量达152.44 mg/g，去除率76.22%，经5次再生仍保持71.8%效率，为重金属废水处理提供新型可持续吸附剂。

　　

铬污染是威胁生态环境和人类健康的重大挑战，其中六价铬(Cr(VI))因其强致癌性和高迁移性被世界卫生组织严格限制在饮用水中的浓度(0.05 mg/L)。传统处理方法如离子交换、膜分离等存在成本高或二次污染等问题，而生物炭(biochar)作为新兴吸附材料面临原始吸附能力有限的技术瓶颈。印度国家理工学院鲁尔克拉校区的研究团队创新性地利用印度产量丰富的柑橘(Citrus limetta)果皮废弃物，通过热解和化学修饰开发出系列磁性生物炭，为解决这一环境难题提供了经济高效的方案，相关成果发表在《Resources Chemicals and Materials》。

研究采用热解(400°C/2h)、共沉淀法(FeSO₄
·7H₂
O)制备磁性生物炭(MBC)，并分别用壳聚糖(CMBC)、海藻酸钠(SAMB)、果胶(PMBC)进行功能化修饰。通过BET比表面积分析、FTIR光谱、XRD衍射和SEM电镜等技术系统表征材料特性，结合批式吸附实验探究pH、温度等参数影响，采用Langmuir等模型解析吸附机制。

3.1 生物炭表征
BET分析显示MBC具有最大比表面积(15.310 m²
/g)，CMBC则展现最大平均孔径(13.22 nm)。FTIR证实CMBC存在特征酰胺峰(1650 cm^-1
)，PMBC显示强酯基峰(1720 cm^-1
)，这些官能团为Cr(VI)吸附提供活性位点。XRD谱图中62.68°等衍射峰证实磁性Fe₃
O₄
的成功负载。

3.2 吸附动力学
伪二级动力学模型(R²
=0.99)最佳描述吸附过程，CMBC平衡吸附量(q_e
)达99 mg/g，表明化学吸附占主导。

3.3 吸附等温线
Langmuir模型拟合最优，CMBC最大吸附容量达423.72 mg/g，显著高于原始生物炭(319.48 mg/g)。

3.4 吸附热力学
ΔG^°
为负值(-41.7至-52.6 kJ/mol)，证实吸附为自发放热过程，温度升高有利于吸附。

3.5 再生性能
CMBC经5次吸附-解吸循环后仍保持71.8%去除率，0.1 M NaOH可有效洗脱吸附的铬。

3.7 作用机制
CMBC通过三步协同作用：(1)质子化-NH₃
⁺
静电吸引HCrO₄
^-
；(2)Fe²⁺
将Cr(VI)还原为Cr(III)；(3)Cr(III)与官能团络合。而PMBC主要依赖果胶"蛋盒"结构的物理吸附。

该研究首次系统比较了柑橘皮生物炭经不同生物聚合物改性后的性能差异，证实壳聚糖交联磁性生物炭(CMBC)兼具高吸附容量(152.44 mg/g)和优良再生性。材料制备充分利用农业废弃物，实现了"以废治毒"的循环经济理念。磁性特性赋予其便于分离的工程优势，FTIR揭示的酰胺基/羧基等关键活性位点为后续材料设计提供分子基础。研究不仅为重金属废水处理提供了新型吸附剂，更为生物质资源化利用开辟了新途径，对发展中国家应对工业污染具有重要实践价值。