铁磁改性咖啡渣生物炭同步高效去除酸性矿山废水中铜铅镉离子的性能与机制研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Study on the Adsorption Performance of Iron-Magnetic Modified Coffee Grounds Biochar for Copper, Lead, and Cadmium Ions in Acid Mine Drainage

本文针对有色金属矿区酸性矿山废水（AMD）中Cu2+、Pb2+、Cd2+的协同污染问题，开发了一种以废弃咖啡渣为前体的铁磁改性生物炭（FM-BC）吸附剂。研究通过FeCl2·4H2O/FeCl3混合溶液浸渍结合650℃限氧热解制备的FM-BC，不仅成功负载Fe3O4纳米颗粒增强磁性回收功能（干态回收率92.3%），还显著提升了表面含氧官能团（-COOH、-OH）密度。实验表明，在pH=5条件下对三种重金属离子同步去除率超90%，吸附选择性为Pb2+>Cu2+>Cd2+，其过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型，主要以表面络合、离子交换和静电吸引机制为主导。该研究为重金属废水治理提供了兼具高效吸附与绿色循环特性的技术方案。

　　

材料

咖啡渣：采集自本地咖啡店。将咖啡渣粉碎至80目，在105℃烘箱中干燥24小时后置于干燥器内保存。

模拟酸性矿山废水：通过将CuCl₂·2H₂O、CdCl₂和PbCl₂溶解于去离子水中配制而成，得到1升pH=5的溶液，其中含有50毫克/升Cu²⁺、0.6毫克/升Pb²⁺和0.05毫克/升Cd²⁺。

咖啡渣生物炭的制备

将五克干燥咖啡渣在氮气氛围下进行热解。热解在不同温度下进行。

生物炭热解参数的优化

评估了在不同热解温度下制备的生物炭对重金属的去除效果。

结论

本研究成功合成了铁磁咖啡渣生物炭，用于从酸性废水中高效同步去除多种重金属。主要发现包括：650℃热解结合Fe₃O₄改性产生了蜂窝状多孔结构，显著增加了比表面积和活性位点。成功的磁铁矿负载通过特征XRD衍射峰得到证实，而FTIR分析表明含氧官能团增强。