新型FeCl?激活磁性生物炭的制备及其对对乙酰氨基酚的吸附去除性能研究及环境影响分析

《Powder Technology》：Development of a novel FeCl 3-activated magnetic biochar for adsorptive removal of paracetamol and environmental impact analysis

摘要采用FeCl3浸渍废椰壳制备磁性生物炭，有效吸附水体中对乙酰氨基酚，吸附容量达217 mg/g，符合Freundlich等温线，伪二级动力学模型。生命周期评估证实该方法环保可持续。

　　
本研究聚焦于利用废弃椰子壳开发新型磁性生物炭吸附剂，以高效去除水体中的对乙酰氨基酚（PCT），并首次结合生命周期评估（LCA）系统分析该技术的环境可持续性。椰子壳作为农业废弃物占比高达80%，其废弃处理不仅占用土地资源，还可能通过渗滤液污染地下水。传统吸附剂在去除痕量药物时存在再生困难、分离成本高等缺陷，而磁性材料通过外磁场分离的特性可显著降低后续处理难度。

制备过程中创新性地采用FeCl3作为单一活化剂，通过1:20质量比的生物质与活化剂配比，在800℃单阶段热解工艺下同步实现化学活化与磁性基体构建。这种设计既减少了化学试剂用量（较传统多酸活化降低60%以上试剂消耗），又避免了多步骤制备带来的能源损耗。表征结果显示新型吸附剂具备680 m2/g的高比表面积，孔径分布集中在2-50纳米的介孔范围，表面富含羧基、酚羟基等官能团（表面化学改性度达35%），其磁化强度达14.2 emu/g，完全满足外磁场分离需求。

吸附性能测试表明该材料对PCT展现出卓越的去除能力，在初始浓度50 mg/L、pH 5-9、接触时间15分钟等典型污水处理条件下，对PCT的最大吸附容量达217 mg/g，超过多数商业活性炭产品（如竹炭吸附剂188.6 mg/g）。等温吸附曲线与Freundlich模型高度吻合（R2>0.99），证实其多层吸附机制，而Langmuir模型计算得到的理论单层吸附容量为239 mg/g，显示材料表面存在大量未饱和吸附位点。动力学研究揭示吸附过程遵循伪二级动力学模型，其中内扩散阻力（k<sub>=0.003 min^-1）成为主要限速步骤，通过延长接触时间至30分钟可使吸附效率提升至98.2%。

在环境效益评估方面，生命周期分析显示每去除1 kg PCT产生的生命周期排放包括0.498 kg 1,4-二氯苯（METPinf）和13.98 kg等当量物（HTPinf）。对比传统化学吸附工艺，该体系在能源消耗（降低42%）、固废产量（减少67%）和重金属迁移风险（降低89%）等关键指标上表现更优。特别值得注意的是，磁性回收技术使吸附剂重复使用次数达到5次以上，再生过程产生的二次污染物仅为常规方法的12%。

研究还系统考察了共存离子对PCT吸附的影响，发现Ca2?、Mg2?等离子浓度超过200 mg/L时会导致吸附容量下降18%-25%，但通过调节溶液pH至中性偏酸性范围（pH 5.5-6.5），可有效抑制离子竞争效应。在工业废水模拟实验中，当吸附剂投加量为0.5 g/L时，对含药浓度50-500 mg/L的废水处理效率稳定在92%-98%，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A类出水要求。

该技术的创新性体现在三个方面：首先，通过单阶段热解工艺将制备能耗降低至传统两步法的63%；其次，磁性基体与多孔结构协同作用，使吸附剂同时具备快速分离（响应时间<5秒）和高容量（单次吸附容量达217 mg/g）；最后，生命周期评估表明其全周期碳足迹较商业活性炭降低37%，生态效率提升42%。这些特性使其在制药废水处理、突发性药物污染应急响应等领域具有显著应用价值。

研究团队还建立了吸附剂再生优化模型，通过控制酸洗浓度（0.1-0.3 M HCl）和温度（60-80℃），可使吸附剂在循环5次后仍保持初始吸附容量的87%。这种可循环特性将材料成本从传统磁性吸附剂（约$15/kg）降至$3.2/kg，具备规模化推广的经济可行性。实验数据表明，在pH 6.5、投加量0.5 g/L、振荡时间30分钟的标准工况下，吸附剂对PCT的去除率可达99.6%，远超《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水体限值（5 mg/L）。

研究最后提出工业应用的三级集成方案：一级预处理采用磁生物炭快速吸附（<10分钟），二级深度处理结合活性炭层吸附（去除<1 mg/L残留），三级磁分离回用系统。该方案在1万吨/日规模制药废水处理中，可减少化学污泥产生量达2300吨/年，相当于年处理标准废水4.3亿立方米。同时，通过建立吸附剂全生命周期数据库，为同类技术评估提供了可复用的分析框架。

该研究突破了磁性生物炭制备工艺与药物吸附机理的关联性研究瓶颈，为发展中国家解决药物污染问题提供了经济可行的技术路径。特别是针对印度等椰子消费大国，每年可产生约300万吨椰子壳废弃物，采用该技术可实现资源化利用率从现有12%提升至78%，创造显著的经济环境双重效益。后续研究将重点优化吸附剂表面官能团修饰技术，进一步提升对新兴药物污染物的特异性吸附能力。</sub>