铁氮共掺杂磁性菠萝皮生物炭的简易合成及其对酸性黄23染料的高效吸附与循环利用机制研究

本刊推荐：本研究通过简易方法合成铁氮共掺杂磁性菠萝皮生物炭（Fe-N-PPBC），实现对酸性黄23染料（AY23）的高效吸附（95%去除率）。该材料在pH=2条件下40分钟即可达到吸附平衡，符合Langmuir模型和伪二级动力学模型，ΔG°为负值表明过程自发。材料经5次循环后仍保持51%吸附能力，且处理后的染料溶液显著促进鹰嘴豆（Cicer arietinum）生长。该研究为农业废弃物资源化利用和染料废水治理提供了绿色解决方案。

　　

材料与方法

研究采用菠萝果实废皮为原料，经过蒸馏水清洗、阳光干燥7天后机械粉碎成粉末。通过Li等人报道的方法制备共掺杂生物炭：将10g果皮粉末与30g FeSO₄·7H₂O和10g尿素在120ml蒸馏水中混合，静置2天后60°C干燥2小时。随后在500°C（升温速率10°C·min^-1）的不锈钢热解反应器中热解3小时，并通入100cm³·min^-1氮气维持惰性气氛。制备的未掺杂（PPBC）和共掺杂生物炭（Fe-N-PPBC）经蒸馏水洗涤至中性后60°C干燥，过80BSS筛（170μm）得到均匀颗粒。

proximate分析显示，PPBC含有65.78%挥发性物质和22.79%固定碳，而Fe-N-PPBC则含有45.67%挥发性物质、41.49%固定碳和2.34%灰分。采用批次吸附实验研究pH（2-10）、接触时间（30-180min）、吸附剂剂量（0.5-3g）、染料浓度（100-350mg·L^-1）、振荡速度（50-300rpm）和温度（25-50°C）对AY23染料去除的影响。染料去除率通过公式：去除率(%)=(C₀-C_t)/C₀×100计算，吸附容量通过q_t=(C₀-C_t)/m×V计算。

表征分析

傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析显示，Fe-N-PPBC在2923cm^-1处存在烷基特征峰，1731cm^-1处为羧酸/酯/酮基团，1372cm^-1处为C─N伸缩振动证实氮掺杂。574cm^-1处的Fe─O振动峰表明铁成功掺杂。3406cm^-1处的羟基峰和1422cm^-1处的-NH₂峰进一步证实氮掺杂。染料吸附后这些峰发生位移或强度减弱，表明AY23与吸附剂表面发生相互作用。

扫描电子显微镜（SEM）显示Fe-N-PPBC具有异质表面结构和丰富孔隙，为染料吸附提供大量位点。吸附后表面孔隙被染料分子填充，形成致密覆盖层。

吸附性能研究

pH影响研究表明，在pH=2时PPBC和Fe-N-PPBC分别实现92%和96%的最大染料去除率。随着pH升高，去除率逐渐下降，这是由于吸附剂表面去质子化导致与带负电的AY23染料分子间斥力增加。

动力学研究表明，伪二级模型（PSO）最适合描述吸附过程（R²>0.98），表明化学吸附为主导机制。Fe-N-PPBC在40分钟达到吸附平衡，较PPBC（60分钟）更快，表明掺杂提高了吸附速率。

等温线研究显示Langmuir模型最符合实验数据（R²>0.93），表明AY23在吸附剂表面形成单分子层吸附。Fe-N-PPBC的最大吸附容量（15.129mg·g^-1）显著高于PPBC（6.498mg·g^-1）。

热力学参数显示ΔG°为负值，证实吸附过程的自发性。ΔH°为负值（-59.452至-63.405kJ·mol^-1）表明放热特性，ΔS°为正值（181.77-196.75J·K^-1）表明固液界面无序度增加。

吸附机制

AY23在Fe-N-PPBC上的吸附涉及多种机制：孔隙填充、氢键作用、n-π相互作用、静电吸引和表面络合。铁掺杂提供磁性便于分离，氮掺杂增强表面极性和电子转移能力。FT-IR分析证实染料吸附后羟基和羰基峰位移，表明这些官能团参与吸附过程。

循环利用与植物毒性

经过5次吸附-解吸循环后，PPBC和Fe-N-PPBC仍分别保持39%和51%的染料去除能力，显示良好可重复使用性。

植物毒性实验表明，未经处理的AY23染料溶液（300mg·L^-1）仅使鹰嘴豆种子发芽率降至14%，而经PPBC和Fe-N-PPBC处理的染料溶液使发芽率分别恢复至72%和83%。幼苗长度、活力指数及叶绿素、糖类和蛋白质含量均显著高于未处理染料组，证实处理后的废水可用于农业灌溉。

结论

该研究成功开发出一种高效、稳定且可重复使用的铁氮共掺杂生物炭材料，能够有效去除废水中的AY23染料。材料制备工艺简单，原料来源广泛，为农业废弃物资源化利用和染料废水治理提供了可持续解决方案。处理后的染料废水对植物生长无抑制作用，可实现废水回用，促进循环经济发展。