用KOH改性的稻草生物炭吸附电池废水中的铅(II)：吸附优化、等温线、动力学和热力学研究

《Environmental Challenges》：Lead (II) adsorption by KOH-modified rice straw biochar from battery wastewater: Adsorption optimization, isotherm, kinetic and thermodynamic studies

本研究以乌干达稻壳为原料，通过KOH化学活化制备改性生物炭（KRSB），利用响应面法（RSM-CCD）优化其对电池废水中Pb(II)的吸附性能。实验表明，最佳条件为吸附剂投加量0.8 g/L、初始Pb(II)浓度121 mg/L、接触时间52分钟、温度33℃、pH 5.6，此时Pb(II)去除效率达85.1%。表征分析（XRF、SEM-EDX、FTIR）显示，KRSB表面富含氧官能团（–OH、–COOH）和钾离子，通过离子交换、表面络合及沉淀机制高效吸附Pb(II)。动力学模型拟合表明伪二级动力学主导，最大吸附容量129 mg/g。热力学分析（ΔG°<0，ΔH°>0）证实吸附自发且需能，熵变（ΔS°）表明吸附过程伴随熵增。实际废水验证显示模型预测误差（APE）<20%，证实KRSB在复杂基质中仍具可行性。

　　### 研究背景与意义

在工业化进程中，铅（Pb(II)）污染成为影响环境健康的重要问题之一。尤其是在乌干达，电池制造工业的快速发展导致了大量含有铅的废水排放，对水体生态系统构成了严重威胁。铅是一种具有高度毒性的重金属，其在水中的浓度超标可能导致肝肾损伤、贫血和神经发育障碍等健康问题。因此，开发一种高效、经济且可持续的铅去除方法显得尤为重要。

本研究旨在探索一种基于天然生物质的吸附剂——氢氧化钾改性稻壳生物炭（KRSB），用于去除电池废水中的铅离子。稻壳是一种丰富的农业废弃物，具有低成本、可再生和高纤维含量等优点，非常适合用于生物炭的制备。然而，未经处理的稻壳生物炭通常具有较低的吸附能力，因此通过化学改性提高其表面功能化和孔隙结构是必要的。氢氧化钾（KOH）作为一种常用的活化剂，能够有效增加生物炭的表面碱性，引入更多的含氧官能团（如–OH和–COO?），并提高其吸附能力。

本研究采用响应面法（RSM）对吸附过程进行建模和优化，考虑了吸附剂剂量、初始铅浓度、接触时间、温度和pH作为关键变量。通过实验验证，发现最佳吸附条件为：0.8 g/L的吸附剂量、121 mg/L的初始铅浓度、52分钟的接触时间、33°C的温度以及pH值为5.6时，铅的去除效率达到85.1%。这表明KRSB在实际电池废水中表现出良好的去除性能，且具有较高的吸附容量（129 mg/g），支持了其作为高效吸附剂的潜力。

### 材料与方法

本研究从乌干达东部的Bugiri区Kibimba稻田收集稻壳，并通过热解和KOH活化制备了KRSB。首先，稻壳经过清洗、切割和干燥处理，随后在氮气保护下，于500°C进行3小时热解以生成原始生物炭（RSB）。接着，RSB在2 M KOH溶液中进行活化处理，通过搅拌和静置去除杂质，最终得到KRSB。为了评估KRSB的吸附性能，采用X射线荧光（XRF）、扫描电镜结合能谱（SEM-EDX）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对材料进行表征，以了解其表面化学特性、结构和功能基团。

为了验证KRSB的吸附能力，进行了批量吸附实验，并通过RSM模型优化了吸附条件。实验过程中，通过调整吸附剂剂量、初始铅浓度、接触时间、温度和pH，分析了这些参数对铅去除效率的影响。此外，还研究了吸附过程的平衡、动力学和热力学行为，以进一步揭示其吸附机制。吸附效率通过公式计算，涉及初始浓度、平衡浓度和吸附剂质量等参数。

在研究中，还特别关注了竞争离子对铅吸附的影响，以模拟实际工业废水中可能存在的复杂情况。通过在Pb(II)溶液中引入Cd(II)，评估了KRSB在多金属体系中的表现。同时，为了评估KRSB在实际电池废水中的应用潜力，从乌干达电池制造公司（UBL）采集了未经处理的电池废水，并与优化条件下的废水进行了比较分析。

### 实验结果与讨论

通过XRF分析，发现KRSB具有较高的钾（K）含量（8.6%），表明其经过KOH活化后，表面碱性增强，有利于铅的离子交换吸附。此外，KRSB中Fe、P和Ca的含量也表明其表面存在多种可能的吸附位点，如通过表面络合或沉淀机制去除铅。SEM-EDX分析进一步揭示了KRSB的多孔结构和表面官能团的丰富性，表明其具有良好的吸附性能。FTIR分析则显示，KRSB表面的–OH和–COO?官能团在吸附过程中发生相互作用，形成Pb–OH和Pb–COO络合物，进一步支持了其通过化学吸附去除铅的机制。

在统计建模和优化方面，RSM模型被用于预测和优化铅的吸附条件。实验数据显示，吸附效率在0.8 g/L的吸附剂量、121 mg/L的初始铅浓度、52分钟的接触时间、33°C的温度和pH值为5.6的条件下达到最高。此外，通过分析模型的显著性（ANOVA），发现多个因素（如初始铅浓度、接触时间和pH）对吸附效率具有显著影响，而其他因素（如吸附剂剂量和温度）则影响较小。这些结果表明，KRSB的吸附性能受到多种因素的共同作用，且吸附效率在特定条件下达到最佳。

在吸附机制方面，研究发现KRSB的吸附行为符合Langmuir-Temkin等温线和伪二级动力学模型，表明其吸附过程主要由化学吸附主导。热力学分析显示，该过程是自发的且吸热的，表明铅的吸附在较高温度下更加有利。这些结果进一步支持了KRSB在实际废水处理中的应用潜力。

### 竞争离子的影响

在实际工业废水中，铅通常与其他重金属离子（如镉、锌、铜和镍）共存，这些离子可能与铅竞争吸附位点，从而影响吸附效率。因此，研究了竞争离子对铅吸附的影响，发现当在Pb(II)溶液中引入Cd(II)时，铅的去除效率略有下降，但仍然保持在较高水平。这表明KRSB具有一定的选择性，能够优先吸附铅离子，即使在存在竞争离子的情况下也能维持较高的去除效率。

此外，实验还发现，实际电池废水中的高有机负荷和高硫酸盐浓度可能影响KRSB的吸附性能。这些因素可能通过形成络合物或堵塞吸附位点，降低铅的去除效率。然而，尽管存在这些干扰因素，KRSB在实际废水中的去除效率仍达到85.1%，表明其在复杂水体中的适用性。为了进一步验证KRSB的吸附机制，建议进行XRD和XPS分析，以明确其在实际条件下的吸附行为。

### 结论

本研究展示了KRSB作为去除电池废水和含铅水体中铅离子的高效吸附剂的潜力。通过表征分析，发现KRSB具有丰富的含氧官能团和良好的孔隙结构，能够通过离子交换、表面络合和部分沉淀机制有效去除铅。在优化吸附条件下，铅的去除效率达到85.1%，吸附容量达到129 mg/g，显著高于原始生物炭的吸附能力（61.3 mg/g）。

此外，通过RSM模型优化了吸附条件，明确了多个关键参数对铅去除效率的影响。实验还表明，KRSB在存在竞争离子的情况下仍能维持较高的去除效率，这表明其在实际废水处理中的适用性。然而，为了进一步提升其应用效果，还需要对竞争离子、吸附剂再生和规模放大等方面进行深入研究。

总体而言，KRSB作为一种低成本、高效和可持续的吸附剂，为解决铅污染问题提供了新的思路。在乌干达这样的发展中国家，KRSB的本地化生产能力和较低的成本使其成为一种极具前景的废水处理方案。未来的研究应进一步探索其在复杂水体中的应用，并验证其在实际工业环境中的可行性。