使用ZnCl2-膨润土辅助的蓝藻水华衍生生物炭对Cr(VI)的吸附分析

《Science of The Total Environment》：Adsorption analysis of Cr(VI) by ZnCl 2–bentonite-comodified cyanobacterial bloom-derived biochar

蓝藻水华生物质经ZnCl?-膨润土共热解改性后形成高比表面积（396.20 m2/g）和阳离子交换容量（57.82 cmol/kg）的生物炭（ZBMC），显著提升Cr(VI)吸附性能，最大吸附容量93.86 mg/g，吸附机制以Cr-π配位和矿物沉淀为主（>83%）。

　　在当前的工业与农业活动中，大量废水的排放导致了水体中重金属离子浓度的上升，这些污染物不仅影响了水体的生态环境，还通过食物链对人类健康构成了潜在威胁。其中，铬（Cr）作为一种常见的水体污染物，其六价形式（Cr(VI)）的毒性是三价形式（Cr(III)）的100到500倍，因此，如何有效去除工业废水中高浓度的Cr(VI)成为亟待解决的问题。在众多去除技术中，吸附法因其环境友好性和高效性而受到广泛关注。生物炭作为一种新型的吸附材料，因其制备简便、性能优越以及环境友好等特性，逐渐成为研究的热点。

生物炭通常通过在无氧条件下对生物质进行高温热解得到。其物理化学性质受到原料种类和热解条件的显著影响。藻类作为一种可再生资源，因其快速生长、高营养吸收能力和环境适应性强，成为生物炭制备的理想原料。然而，传统的藻类生物炭制备方法在吸附性能上仍存在一定的局限性。例如，未改性的藻类生物炭对Cr(VI)的吸附能力较低，且在实际应用中容易出现吸附容量不足的问题。因此，如何通过有效的改性手段提升藻类生物炭的吸附性能，成为当前研究的重要方向。

在本研究中，科学家们提出了一种创新的改性策略，即通过将膨润土与锌氯化物（ZnCl?）进行共热解，制备出一种具有高阳离子交换容量（CEC）和比表面积（SSA）的复合生物炭（ZBMC）。这一方法不仅能够有效提高生物炭对Cr(VI)的吸附能力，还能够实现对藻类生物质的资源化利用，从而在环境保护和资源回收之间取得平衡。通过共热解过程，ZnCl?作为一种高效的造孔剂，能够在热解过程中形成微孔结构，显著增加生物炭的比表面积，从而提供更多的吸附位点。同时，膨润土的加入能够通过其高阳离子交换容量增强生物炭对Cr(VI)的吸附能力，形成一种协同效应。

实验结果表明，ZBMC的阳离子交换容量达到了57.82 cmol/kg，比表面积达到了396.20 m2/g，这表明其在物理结构和化学性质上都具有显著的优势。通过单因素实验（包括pH、投加量和初始浓度）以及基于Box–Behnken设计方法的优化实验，研究人员发现pH值对ZBMC的吸附性能具有重要影响。在pH值较低的环境中，Cr(VI)主要以离子形式存在，吸附效率较高；而在较高pH值下，Cr(VI)会与水中的氢氧根离子结合，形成更稳定的络合物，从而降低其在生物炭表面的吸附能力。此外，实验还表明，ZBMC对Cr(VI)的吸附过程可以用伪二级动力学模型和Langmuir模型进行良好拟合，这表明吸附过程主要遵循表面扩散和单层吸附机制。

在定量实验中，研究人员进一步揭示了ZBMC对Cr(VI)的吸附机制。结果表明，Cr(VI)的吸附主要依赖于Cr–π配位作用和矿物沉淀两种机制，其中Cr–π配位作用占主导地位，贡献超过83%。这种机制的发现为理解生物炭对重金属离子的吸附过程提供了新的视角。Cr–π配位作用指的是Cr(VI)与生物炭表面的π电子体系发生相互作用，从而增强其吸附能力。而矿物沉淀则指的是Cr(VI)在生物炭表面形成不溶性的金属化合物，进一步提高其去除效率。

除了吸附机制的研究，本研究还关注了生物炭在实际应用中的可行性。在工业废水中，Cr(VI)的浓度往往较高，例如电镀废水中的Cr(VI)浓度可达5到40 mg/L，而铬酸盐生产废水中的Cr(VI)浓度甚至可以达到800 mg/L。这些高浓度的Cr(VI)对水体和生态系统构成了严重威胁，因此，开发一种高效、经济的去除方法显得尤为重要。ZBMC的高吸附能力使其在处理高浓度Cr(VI)废水方面具有显著优势。实验结果表明，ZBMC的最大吸附容量可达93.86 mg/g，这远高于未改性的藻类生物炭（MC）的吸附能力（2.57 mg/g）。因此，ZBMC在处理高浓度Cr(VI)废水时展现出更强的性能。

此外，研究还强调了生物炭在环境治理中的多重价值。除了作为吸附材料，生物炭还具有良好的碳封存能力，能够减少温室气体排放，同时为应对水体富营养化问题提供了一种可行的解决方案。近年来，全球许多富营养化的水体都面临着蓝藻爆发的挑战，这些爆发不仅会消耗水体中的溶解氧，还会释放藻毒素，威胁水生生物和人类健康。因此，如何有效处理蓝藻生物质成为环境保护的重要课题。传统的处理方法如填埋和焚烧虽然可行，但存在成本高、产生二次污染等问题。而将蓝藻生物质转化为生物炭不仅能够实现资源的再利用，还能有效去除水体中的重金属污染物，从而在环境治理中发挥双重作用。

在本研究中，科学家们通过共热解方法将膨润土与锌氯化物结合，进一步优化了生物炭的性能。这种复合改性方法不仅能够提升生物炭的吸附能力，还能增强其结构稳定性，使其在长期使用中保持较高的效率。实验数据表明，经过ZnCl?和膨润土共同改性的生物炭（ZBMC）在比表面积和阳离子交换容量方面均优于未改性的藻类生物炭（MC）。这表明，共热解方法能够有效调控生物炭的微观结构，从而提升其在污染治理中的应用潜力。

为了进一步验证ZBMC在实际应用中的可行性，研究人员还对其物理化学性质进行了系统分析。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）等手段，对ZBMC的表面形态、化学组成和结构特性进行了深入研究。这些分析方法不仅能够揭示生物炭的微观结构变化，还能帮助研究人员理解其吸附性能的来源。例如，XPS分析表明，ZBMC表面富含氧和氮元素，这些元素能够形成多种官能团，如羧基、羟基和氨基，从而增强其对Cr(VI)的吸附能力。此外，FTIR分析还显示，ZBMC表面的官能团分布与未改性的藻类生物炭存在显著差异，这进一步证明了改性过程对生物炭性能的改善。

在实际应用中，生物炭的吸附性能不仅受到其物理化学性质的影响，还与实验条件密切相关。因此，研究人员通过单因素实验和响应面优化方法，系统地研究了pH值、投加量和初始浓度等因素对ZBMC吸附Cr(VI)的影响。实验结果表明，pH值对吸附效率具有显著影响，而投加量和初始浓度则在一定范围内对吸附能力产生正向作用。这些研究结果为生物炭在实际废水处理中的应用提供了重要的理论依据和技术支持。

值得注意的是，ZBMC的吸附能力不仅在实验室条件下表现出色，还具有良好的重复使用潜力。在实际应用中，吸附材料的再生和循环使用对于降低处理成本和减少资源浪费至关重要。研究表明，ZBMC在吸附Cr(VI)后，可以通过简单的洗涤和再生处理恢复其吸附性能，从而实现多次循环使用。这一特性使得ZBMC在工业废水处理中具有更高的经济性和可持续性。

此外，本研究还强调了生物炭在环境治理中的多功能性。除了对Cr(VI)的吸附能力，ZBMC还可能对其他重金属离子如铅（Pb）、镉（Cd）和镍（Ni）具有一定的去除效果。这为生物炭在更广泛的污染物处理中的应用提供了可能性。同时，生物炭的制备过程也具有一定的灵活性，可以根据不同的需求调整原料比例和热解条件，从而获得性能更优的吸附材料。

综上所述，本研究通过将膨润土与锌氯化物共同改性藻类生物质，成功制备出一种具有高吸附性能的生物炭（ZBMC）。这种生物炭不仅能够有效去除工业废水中高浓度的Cr(VI)，还能够实现对蓝藻生物质的资源化利用，从而在环境治理和资源回收之间取得平衡。实验结果表明，ZBMC在吸附能力、结构稳定性和环境友好性方面均优于传统的生物炭材料，为工业废水处理提供了一种新的解决方案。未来，随着对生物炭改性技术的深入研究，其在污染治理中的应用前景将更加广阔。