用于可持续金属离子回收的功能吸附材料的性能比较

《Desalination and Water Treatment》：Comparative Performance of Functional Adsorbent Materials for Sustainable Metal Ion Recovery

本研究采用混合胡萝卜和土豆皮制备生物炭吸附剂，通过碳化（500℃，30/60分钟）获得CBP-30和CBP-60。研究表明CBP-60对甲基橙吸附容量更高（56.41 mg/g），吸附机制为物理吸附，符合Freundlich等温模型和伪一级动力学，再生性能良好，具有应用潜力。

　　
水污染治理已成为全球关注的重大环境问题，其中工业染料排放引发的废水处理挑战尤为突出。本研究创新性地采用南非本地丰富的胡萝卜和土豆废弃 peelings为原料，通过热解工艺制备了两种生物炭吸附剂CBP-30和CBP-60，并系统研究了其处理甲基橙（MO）染料废水的能力。实验发现，经60分钟热解处理的CBP-60吸附剂对MO的最大吸附容量达56.41 mg/g，较30分钟处理的CBP-30（53.02 mg/g）提升约6.5%，展现出显著的性能优势。

研究团队通过多维度表征手段揭示了吸附性能差异的内在机制。扫描电镜（SEM）显示两种吸附剂均具有粗糙多孔表面结构，其中CBP-60的孔隙分布更为均匀，比表面积较CBP-30提升18.7%。红外光谱（FTIR）分析表明，热解过程中形成了丰富的官能团：CBP-30检测到以-OH（3271 cm?1）、C=O（1568 cm?1）为主的官能团，而CBP-60在保持类似官能团的基础上，C=C键振动峰强度显著增强（1574 cm?1处），这与其更完全的热解过程密切相关。X射线衍射（XRD）结果证实，CBP-60的结晶度较CBP-30提高23.6%，主要晶相从无定形碳向石墨化碳转变，同时检测到微量KCl和CaCO?残留物。

动力学研究表明，两种吸附剂均符合伪一级动力学模型（R2＞0.99），这表明物理吸附是主导机制。其中CBP-60的速率常数（k?=0.071 min?1）较CBP-30（k?=0.083 min?1）略低，但单位质量吸附剂在120分钟内达到的吸附容量差异显著。热力学参数显示吸附过程为自发进行（ΔG°＜0）、放热（ΔH°＜0）且熵增（ΔS°＞0），其中CBP-60的吉布斯自由能变化值（-9.60 kJ/mol）较CBP-30（-3.47 kJ/mol）更负，印证了其更强的吸附驱动力。

等温线分析揭示Freundlich模型（R2＞0.99）更适合描述MO的吸附行为，表明存在多孔域异质吸附位点。实验数据表明CBP-60的Freundlich常数K_F（1.600）较CBP-30（2.070）更低，反映其吸附位点更均匀分布。特别值得注意的是，在100 mg/L MO溶液中，CBP-60的平衡吸附量达到54.84 mg/g，较文献报道的橙皮和柠檬皮制备活性炭（33.00 mg/g）提升约67%，展现出显著的材料优势。

pH影响实验显示，在pH 2-10范围内，吸附容量随pH升高而递减，最佳吸附pH为2时达到峰值。此现象与表面电荷特性密切相关：当pH低于等零电荷点（CBP-30 pHpzc=7.37，CBP-60 pHpzc=7.89）时，吸附剂表面带正电，通过静电引力高效吸附带负电的MO分子。再生实验表明，经5次HCl循环再生后，CBP-60的吸附效率仍保持72%以上，而CBP-30为65%，证实其优异的可重复利用性。

研究创新性地提出“双阶段孔隙协同吸附机制”：CBP-60的微孔（2-50 nm）占比达58%，有效吸附大分子染料；介孔（50-2000 nm）占比42%，通过范德华力和π-π相互作用实现高效截留。这一发现突破了传统观点认为植物基吸附剂仅依赖大孔结构的局限，为开发新一代多孔复合吸附剂提供了理论依据。

比较研究显示，CBP-60的吸附性能在现有生物质吸附剂中位列前茅，仅低于水melon壳（345.70 mg/g）和doum棕榈（264.92 mg/g）等少数高价值原料。但相较于化石衍生活性炭（如煤气化渣139.49 mg/g），其成本优势更为突出——原料获取成本低于0.5美元/kg，且无需复杂的化学改性。

在环境工程应用层面，研究建立了完整的工艺参数体系：最佳吸附条件为pH 2、200 rpm搅拌、10 mg吸附剂/20 mL溶液、120分钟接触时间。更值得关注的是，吸附剂在318 K（45℃）仍保持有效吸附（CBP-60吸附量＞45 mg/g），这为常温下工业废水处理提供了可行性方案。此外，再生过程仅需120分钟离心分离和60分钟酸洗，操作简便，能耗低于传统方法30%。

该研究突破性地将农产品废弃 peelings转化为高值化环境治理材料，其创新价值体现在三个方面：其一，建立植物废弃 peelings热解参数与吸附性能的定量关系，为规模化制备提供技术路线；其二，发现长时间热解（＞50分钟）可有效去除有机质残留，使吸附剂比表面积提升至≥1200 m2/g；其三，开发基于表面电荷调控的多pH适用吸附体系，突破传统单一pH吸附的局限。

未来研究可拓展至以下方向：① 开发复合型吸附剂，如将CBP-60与纳米黏土复合，提升对重金属的协同吸附；② 探索微波辅助活化制备超微孔结构吸附剂；③ 建立基于吸附剂特性的工业废水处理工艺包。这些发展方向将推动植物基吸附剂从实验室研究向产业化应用跨越，为解决全球水污染问题提供可复制的解决方案。