利用CTAB功能化的西兰花废弃物生物炭对水溶液中重金属和有机染料进行高效同时吸附：一种可持续的水体修复方法

《Desalination and Water Treatment》：Advanced Simultaneous Adsorption of Heavy Metals and Organic Dyes from Aqueous Solutions Using CTAB-Functionalized Broccoli Waste Biochar: A Sustainable Approach for Water Remediation

本研究利用 broccoli 废料经硫酸和 CTAB 改性后，高效吸附 methylene blue、malachite green、Congo red 及 Cd2?、Pb2?，最高去除率达 99.9%。SEM 和 FTIR 表明改性增强表面多孔性和功能基团，动力学符合伪二阶模型，热力学分析显示吸附自发且以化学吸附为主。该材料为可持续废水处理提供新途径。

　　在这项研究中，科学家们探索了一种创新的环境治理方法，即利用 broccoli（西兰花）废弃物通过化学改性制备一种新型的生物炭材料，并将其应用于工业废水中多种污染物的同步去除。这项研究的核心在于通过优化材料的表面性质，提高其对有机染料和重金属离子的吸附能力，从而为解决环境污染问题提供了一种高效、经济且可持续的解决方案。

西兰花是一种常见的蔬菜，其废弃部分通常被当作垃圾处理，然而，这些废弃物中富含木质素、纤维素和生物活性成分，具备转化为高反应性碳材料的潜力。通过酸处理和表面活性剂 CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）的改性，研究团队成功提升了生物炭的物理化学特性，使其在废水处理中展现出优异的性能。具体而言，酸处理能够增强材料的表面粗糙度和孔隙结构，而 CTAB 的引入则赋予了材料表面不同的电荷特性，使其具备了同时吸附多种污染物的能力。

研究中，通过一系列实验分析了不同参数对污染物去除效率的影响，包括吸附剂剂量、接触时间、溶液 pH 值、初始污染物浓度以及温度。这些实验不仅揭示了吸附过程的复杂性，还明确了最佳条件，从而为实际应用提供了理论依据。例如，研究发现，随着吸附剂剂量的增加，去除效率显著提高，但吸附容量则呈现下降趋势，这主要是由于吸附剂颗粒之间的聚集导致了有效表面积的减少。因此，选择合适的吸附剂剂量对于平衡去除效率与成本至关重要。

此外，溶液 pH 值对吸附性能具有显著影响。对于阳离子染料（如甲基蓝和孔雀绿）和重金属离子（如铅和镉），吸附效率在接近中性或微碱性条件下达到最高，这表明电荷相互作用在吸附过程中起到了关键作用。而对于阴离子染料（如 Congo Red），其最佳吸附条件接近于零点电荷（pH pzc），这说明了吸附机制的多样性。通过 CTAB 改性，研究人员发现其能够有效改善吸附剂的表面电荷分布，从而增强对阴离子污染物的吸附能力。

吸附过程的热力学分析进一步揭示了吸附机制的特性。例如，甲基蓝的吸附过程被证实为自发且高度放热，而 Congo Red 在原始生物炭上的吸附则为吸热，表明表面改性能够显著改变吸附的热力学行为。这些发现不仅有助于理解吸附过程的内在机制，也为进一步优化吸附材料提供了科学依据。

研究还评估了吸附剂的重复使用性能，这对于实际应用中的可持续性至关重要。通过使用不同浓度的盐酸进行再生处理，研究人员发现 CTAB 改性生物炭在多次循环后仍能保持较高的吸附能力，这表明其具有良好的稳定性和重复利用潜力。这一特性使得该吸附剂在工业废水处理中具备长期使用的可能性，降低了运营成本，提高了经济效益。

从吸附动力学的角度来看，研究结果表明，所有污染物的吸附过程均符合伪二级动力学模型，这说明吸附主要由化学吸附机制主导。该模型的高拟合度（R2 > 0.99）表明，吸附速率和吸附容量之间的关系具有良好的可预测性。同时，通过研究吸附过程中的传质机制，研究人员发现吸附过程包含多个阶段，如表面吸附、扩散和达到平衡。这表明吸附不仅依赖于表面反应，还受到内部扩散过程的影响，而表面改性能够有效提高传质效率，从而加快吸附速率。

此外，吸附等温线分析表明，不同污染物在吸附剂上的吸附行为具有差异性。例如，甲基蓝的吸附更符合 Freundlich 模型，表明其在非均质表面上的多层吸附；而孔雀绿和 Congo Red 的吸附则更符合 Langmuir 模型，暗示其在吸附剂表面形成了单层吸附。这些发现有助于进一步理解吸附过程的微观机制，并为吸附剂的优化设计提供了方向。

综上所述，这项研究通过利用西兰花废弃物制备并改性生物炭，成功开发出一种高效的吸附材料，能够同步去除多种污染物。这种材料不仅具备高吸附容量和快速吸附动力学，还展现出良好的热力学特性、优异的重复使用性能以及环境友好性。其研究方法和结论为工业废水处理提供了新的思路，也为农业废弃物的资源化利用开辟了新的途径。