番石榴籽生物吸附剂对六价铬的绿色去除：平衡、动力学及热力学性能研究

《Current Research in Green and Sustainable Chemistry》：Eco-Friendly Chromium(VI) Cleanup: Guava Seed Biosorbent Performance in Equilibrium, Kinetic, and Thermodynamic Studies

为解决工业废水中剧毒六价铬污染问题，研究人员开展了以农业副产品番石榴籽粉为生物吸附剂的研究。结果表明，该材料在pH 2、30°C条件下对Cr(VI)去除率超过85%，最大吸附容量达3.0 mg/g，吸附过程符合Sips等温线模型和准二级动力学模型，为低成本、可持续的水处理提供了新方案。

　　

随着工业化进程加速，水环境中重金属污染问题日益严峻，其中六价铬因其高毒性、高迁移性和致癌性备受关注。传统的水处理方法如化学沉淀、离子交换等存在成本高、易产生二次污染等局限性，迫切需要开发经济高效的替代技术。在此背景下，利用农业废弃物作为生物吸附剂不仅符合循环经济理念，更能实现"以废治废"的双重效益。

本研究采用番石榴籽粉这种常见的农产品加工副产物，系统探究其作为生物吸附剂去除水中Cr(VI)的性能与机制。通过综合表征手段和批量吸附实验，研究人员全面评估了GSP的吸附特性及其在实际应用中的潜力。

关键技术方法包括：材料表征采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDX)、X射线衍射(XRD)和比表面积分析(BET)；吸附实验通过批次平衡法进行，考察pH、吸附剂剂量、接触时间、初始浓度和温度等因素的影响；数据分析运用多种等温线模型和动力学模型进行非线性拟合，并通过六种误差函数验证模型可靠性。

3.1. 吸附剂表征

FTIR分析显示GSP表面富含羟基(-OH)和羧基(-COOH)等含氧官能团，这些基团在Cr(VI)吸附过程中发生明显变化，表明它们参与了金属离子的结合。XRD图谱显示GSP具有半结晶结构，主要成分为纤维素、木质素和半纤维素。SEM图像揭示其不规则形状和粗糙表面结构，存在明显的孔隙和裂隙，为污染物吸附提供了有利条件。BET测定表明GSP具有98.7 m²/g的比表面积和0.45 cm³/g的总孔容积，平均孔径为18.2 nm，属于介孔材料，这种结构特性有利于吸附分子的扩散和附着。

3.2. 影响Cr(VI)吸附的因素

pH值是影响吸附效率的关键参数，在酸性条件(pH 2)下吸附容量最大(4.44 mg/g)，随着pH升高吸附能力逐渐下降。这一现象与GSP的零电荷点(PZC位于pH 7-8之间)密切相关，在低pH条件下，吸附剂表面带正电，有利于通过静电吸引吸附Cr(VI)的阴离子物种(如HCrO₄^-、Cr₂O₇^2-)。吸附剂剂量实验显示，随着剂量增加，单位质量的吸附容量反而下降，从0.2 g/L时的4.71 mg/g降至1.5 g/L时的1.36 mg/g，这可能是由于活性位点未充分利用和颗粒聚集所致。接触时间研究表明，吸附过程在初始阶段迅速进行，10分钟内即可达到4.855 mg/g，120分钟后达到平衡(5.652 mg/g)。初始浓度影响实验表明，吸附容量随Cr(VI)浓度增加而提高，在23.48 mg/L时达到最大值2.90 mg/g。

3.2.4.1. Cr(VI)在GSP上的吸附等温线建模

研究比较了七种等温线模型的拟合效果，包括Langmuir、Freundlich、Temkin三种两参数模型，以及Hill、Khan、Sips、Toth和Redlich-Peterson五种三参数模型。Sips模型表现出最佳拟合度(R² = 0.990)，最大吸附容量为3.0 mg/g，表明GSP表面存在不均匀性。误差分析进一步证实了Sips模型的优越性，其χ²(0.028)、SSE(0.12)和ARE(3.1%)等误差指标均为最低。

3.2.5. 温度影响及热力学研究

温度升高导致吸附容量下降，从30°C时的5.3 mg/g降至70°C时的4.35 mg/g，表明吸附为放热过程。热力学参数计算显示，吉布斯自由能(ΔG°)为负值(-21.62至-23.32 kJ/mol)，证实过程具有自发性；焓变(ΔH° = -8.72 kJ/mol)为负值，进一步支持放热特性；熵变(ΔS° = +42.56 J/mol·K)为正值，表明固-液界面随机性增加，可能与吸附过程中水合分子的释放有关。

3.3. 吸附动力学

动力学研究表明，准二级模型(PSO)拟合最佳(R² = 0.985)，表明化学吸附为速率控制步骤。Elovich模型(R² = 0.963)说明表面存在不均匀性，而颗粒内扩散模型表明边界层阻力和孔扩散共同影响吸附过程。误差分析验证了PSO模型的可靠性，其χ²(0.0036)和ARE(1.62%)均最低。

3.3.1. GSP与Cr(VI)的吸附机制

吸附机制涉及多种相互作用：在酸性条件下，质子化的表面官能团与Cr(VI)阴离子之间的静电吸引；含氧官能团(-OH、-COOH)与铬物种的络合作用；以及Cr(VI)可能被还原为毒性较低的Cr(III)。GSP的多孔结构也为污染物提供了扩散通道和附着位点。

3.4. 成本效益与可扩展性分析

经济性评估显示，GSP的生产成本约为1.5-3.0美元/千克，远低于商业活性炭(20-50美元/千克)，使其在资源有限地区具有显著应用优势。这种成本效益结合其吸附性能，使GSP成为一种有前景的可持续水处理材料。

本研究通过系统实验和理论分析，证实了番石榴籽粉作为一种高效、经济、环保的生物吸附剂用于Cr(VI)去除的可行性。其优越的性能源于独特的物化特性：高比表面积、丰富的表面官能团和适宜的孔结构。吸附过程符合Sips等温线和准二级动力学模型，机制涉及静电吸引、表面络合和孔扩散等多重作用。

与其它农业废弃物吸附剂相比，GSP在吸附容量、动力学性能和成本效益方面展现出明显优势。其热力学特性表明过程为自发、放热的熵驱动机制。最重要的是，GSP的成功应用不仅为解决水环境中Cr(VI)污染提供了有效方案，更实现了农业废弃物的资源化利用，符合绿色化学和循环经济原则。

未来研究应聚焦于连续流固定床柱实验、吸附剂再生性能评估以及在真实工业废水中的适用性验证，以推动该技术从实验室向实际应用的转化。这项研究为开发低成本、可持续的水处理技术提供了重要理论基础和技术支撑，对环境保护和资源循环利用具有积极意义。