用于增强硒酸盐吸附的新型红泥-甘蔗渣生物炭：合成、表征及机理研究

《Journal of Water Process Engineering》：Novel red mud–bagasse biochar for enhanced selenite adsorption: Synthesis, characterization, and mechanistic insights

硒污染水处理中红泥浸渍甘蔗渣生物炭的制备与性能研究。通过700℃热解红泥浸渍甘蔗渣制备生物炭，分析其孔隙结构及表面特性，发现S1R1B（红泥占比50%）吸附容量达7415 μg/g，较传统吸附剂提升显著。吸附机制涉及表面质子化、静电吸引及Se(IV)还原，符合Freundlich等温线和伪二级动力学模型。该材料实现农业与工业废料协同资源化，为低成本硒污染治理提供新方案。

　　本研究探讨了一种创新的生物炭材料，该材料由红泥和糖浆渣（甘蔗渣）混合后，在700°C下进行热解制备，用于去除水溶液中的硒酸盐。硒作为一种重要的微量元素，在其浓度超过允许范围时会对人类、水生植物和野生动物造成严重危害。本研究中所使用的生物炭不仅能够有效吸附硒酸盐，还具有成本效益和可持续性，展现出良好的应用前景。

在实验过程中，研究人员对新鲜和使用后的生物炭进行了多种分析，包括扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、比表面积分析（BET）和X射线光电子能谱（XPS）。这些分析手段帮助研究者深入了解生物炭的多孔结构、功能基团和表面形态。结果表明，当水溶液呈酸性时，硒酸盐的吸附能力显著增强，这主要归因于生物炭表面的质子化作用以及静电吸引。通过理论计算，研究人员得出S5R1B（S:R::5:1）和S1R1B（S:R::1:1）的吸附容量分别为2705 μg/g和7415 μg/g，远高于原始生物炭和红泥的吸附能力。

进一步的实验发现，当红泥的比例增加到50%（即S:R::1:1）时，硒酸盐的去除效率显著提高。在最优条件下（pH 3，5 mg/l Se (IV)，0.8 g/l），这种比例的生物炭比红泥比例为16.7%（S:R::5:1）的生物炭表现出更高的去除效果，具体提高了38%。这一结果凸显了红泥在提高生物炭吸附能力方面的重要性。

通过数值建模，研究者发现吸附过程符合弗兰德利等温线和伪二级动力学模型，这表明吸附过程具有非均质性和多层特性。从机制分析来看，硒酸盐的吸附过程涉及多种协同机制，包括将Se (IV)还原为较低氧化态以及与生物炭表面质子化位点之间的静电相互作用。这些机制共同作用，使生物炭能够高效地去除硒酸盐。

本研究的创新点在于，利用农业废弃物（甘蔗渣）和工业废弃物（红泥）的组合进行生物炭的制备，不仅实现了两种废弃物的资源化利用，还显著提升了生物炭对硒酸盐的吸附能力。这种双重废弃物利用的方式为可持续的水处理提供了新的思路。此外，研究还发现，通过改变生产过程或在生物炭中引入特定元素，可以进一步提升其对硒酸盐的去除能力。

在当前的研究中，通过实验室合成的水溶液，研究者能够更清晰地观察到硒酸盐与生物炭表面之间的相互作用，从而排除了竞争离子和复杂基质的影响。这种研究方法为全面评估吸附等温线、动力学和机制提供了可靠的基础。通过这些实验，研究者能够深入理解生物炭的吸附性能及其在实际应用中的潜力。

研究还发现，生物炭的吸附性能在不同操作条件下表现出显著变化。例如，在酸性条件下，吸附能力增强，而在中性或碱性条件下，吸附能力有所下降。这种变化与生物炭表面的质子化程度密切相关。此外，生物炭的吸附能力还受到初始硒酸盐浓度、吸附时间以及生物炭用量等因素的影响。在实验中，研究人员通过调整这些参数，发现最佳的吸附效果出现在特定的条件下。

通过比较分析，研究者发现S1R1B在硒酸盐去除方面的表现优于其他已知的吸附材料。例如，与其他生物炭和吸附剂相比，S1R1B的吸附容量更高，去除效率也更显著。这种比较不仅有助于评估S1R1B的性能，还为未来开发更高效的吸附材料提供了参考。

研究还强调了生物炭的可重复使用性。通过使用硝酸、氢氧化钠和蒸馏水等脱附剂，研究人员对生物炭进行了五次循环测试。结果表明，氢氧化钠在脱附过程中表现出最佳效果，比硝酸和蒸馏水分别提高了12.5%和42%。这一发现表明，生物炭在多次使用后仍能保持较高的吸附能力，为实际应用中的经济性和可持续性提供了保障。

此外，研究还关注了生物炭的制备过程。通过热解红泥和甘蔗渣的混合物，研究人员能够获得具有高吸附能力的生物炭材料。这种制备方法不仅避免了使用化学前驱体和昂贵的改性技术，还充分利用了农业和工业废弃物，为资源回收和环境治理提供了新的途径。

在未来的建议中，研究者提出可以进一步探索生物炭在实际水处理中的应用，特别是在处理复杂水体和高浓度污染物时的表现。此外，还可以研究生物炭与其他吸附材料的协同作用，以提高其整体吸附能力。这些研究方向不仅有助于推动生物炭技术的发展，还为解决水污染问题提供了新的思路。

研究的结论表明，红泥与甘蔗渣混合制备的生物炭在去除水溶液中的硒酸盐方面表现出优异的性能。通过实验分析和数值建模，研究人员能够全面评估生物炭的吸附能力、动力学特性和机制。这些结果不仅为生物炭的应用提供了理论支持，还为实际工程中的水处理技术提供了参考。

研究的创新性还体现在其对吸附机制的深入探讨。通过结合多种分析手段，研究人员能够识别出硒酸盐吸附的主要途径，包括表面的质子化作用、静电吸引以及还原反应。这些机制的发现不仅有助于理解生物炭的吸附性能，还为优化吸附材料的结构和功能提供了依据。

在应用方面，研究者指出这种生物炭材料具有广泛的应用前景。它不仅可以用于去除水溶液中的硒酸盐，还可以用于处理其他重金属污染。此外，由于其成本效益和可持续性，这种生物炭材料在实际工程中的应用具有显著优势。通过进一步的研究和优化，这种生物炭材料有望成为一种高效的水处理吸附剂。

研究还强调了生物炭的可再生性。通过合理的生产过程和废弃物利用，研究人员能够获得具有高吸附能力的生物炭材料，同时减少对环境的影响。这种可再生性不仅有助于降低生产成本，还为可持续的资源管理提供了支持。

在总结中，研究者指出本研究通过红泥和甘蔗渣的混合制备，成功开发了一种高效的生物炭吸附材料。这种材料在去除水溶液中的硒酸盐方面表现出优异的性能，具有成本效益和可持续性。此外，研究还发现，通过调整红泥和甘蔗渣的比例，可以进一步优化生物炭的吸附能力，提高其在实际应用中的效率。

综上所述，本研究不仅为生物炭的应用提供了新的思路，还为解决水污染问题提供了可行的解决方案。通过利用农业和工业废弃物，研究人员能够开发出一种经济、环保且高效的吸附材料，为可持续的水资源管理做出了重要贡献。