动态与静态模型在Artocarpus nobilis果实果皮上对Cd2+离子的生物吸附作用研究

本研究以Artocarpus nobilis果皮为生物吸附剂，优化了吸附条件（pH 5.5-7.0，0.10 g吸附剂，150 min震荡，15 min沉降），静态吸附效率达88%，Langmuir模型拟合最佳（R2=0.976），动态吸附模型验证显示边界层厚度影响显著，为规模化处理提供理论依据。

　　
本文聚焦于使用Artocarpus nobilis果皮（斯里兰卡木菠萝果皮）作为生物吸附剂对镉离子（Cd2?）的去除效能及动态行为研究。研究通过优化溶液和过程参数，结合静态与动态吸附模型分析，系统评估了果皮作为新型环保吸附材料的潜力。

### 1. 研究背景与意义
生物吸附技术因经济环保、适用范围广等优势，成为重金属废水处理的重要方向。然而，现有研究多集中于静态条件下的吸附行为，动态条件下的模型构建及规模化应用仍存在空白。本文选择Artocarpus nobilis果皮作为吸附剂，其富含酚类、羧酸等有机官能团，在酸碱缓冲范围内（pH 5.5-7.0）表现出优异的Cd2?吸附能力，且无需化学改性即可达到工业化应用要求。

### 2. 材料与方法概述
研究采用新鲜采集的Artocarpus nobilis果皮，经清洗、干燥、粉碎及筛分（0.71-1.0 mm颗粒）制成生物吸附剂。实验系统包含溶液pH调节（0.1 M HNO?和NaOH）、恒温摇床（150 rpm）、原子吸收光谱（AAS）等关键设备。优化参数涵盖吸附剂投加量（0.1-1.2 g）、搅拌时间（0-210 min）、沉降时间（0-60 min）及热处理条件（125°C，不同加热时间）。

### 3. 关键研究结果
#### 3.1 吸附剂特性
FTIR光谱显示果皮表面富含羧酸（-COOH）、酚羟基（-OH）等官能团，X射线荧光分析表明其含有K、Fe、Cu等金属元素。扫描电镜显示颗粒表面多孔且不规则，比表面积达1.2×103 m2/g，为高效吸附提供结构基础。

#### 3.2 静态条件优化
- **吸附剂投加量**：0.1 g生物吸附剂（50 mL 10 mg/L Cd2?溶液）即可达到88%去除率，过量投加仅提升2%效率，显著降低污泥产量。
- **接触时间**：搅拌150 min后吸附平衡，延长至210 min仅提升1.5%去除率，表明吸附动力学在150 min时已趋于稳定。
- **pH范围**：在5.5-7.0的pH区间内去除率达88%，pH低于4.5时去除率骤降，与果皮表面零电荷点（pZC 3.0-4.5）匹配。
- **热处理影响**：无论加热时间（0-60 min）还是温度（25-210°C），Cd2?去除率均无显著变化，验证其热稳定性。

#### 3.3 吸附等温线与动力学模型
- **等温线模型**：Langmuir模型（R2=0.976）优于Freundlich模型（R2=0.908），表明吸附位点均匀且单层吸附为主，最大吸附容量达13.7 mg/g。
- **动力学模型**：伪一级模型（R2=0.982）显著优于伪二级模型（R2=0.638），提示Cd2?吸附受表面反应控制而非扩散限制。IPD模型显示边界层厚度为-364 mg/g，表明溶液传质阻力是主要速率控制因素。

#### 3.4 动态吸附模型验证
通过柱层析实验（床高2.5-10 cm，流速8-20 mL/min），验证了四类动态模型：
1. **Thomas模型**：适用于中低流速（8-16 mL/min），床高10 cm时参数偏差显著（R2=0.791），可能与轴向扩散效应有关。
2. **Adam-Bohart模型**：在高流速（16-20 mL/min）下表现优异（R2>0.97），显示Cd2?在初始阶段快速吸附，随后趋于平衡。
3. **Yoon-Nelson模型**：预测50%突破时间（τ）与流速正相关（τ=1-33 min），床高增加使τ延长30%-50%，验证了孔隙扩散机制。
4. **IPD模型**：边界层厚度与床高呈负相关（-161至+795 mg/g），表明高床层（>7.5 cm）会显著增加传质阻力，需优化流体分布设计。

### 4. 工业化应用潜力
- **参数敏感性分析**：床层高度与流速共同影响吸附效率，最优组合为床高5-7.5 cm、流速8-12 mL/min，此时动态吸附效率达76%-92%。
- **成本效益**：果皮为农业废弃物，无需化学改性，热稳定性（125°C耐受）降低再生能耗。对比研究显示，其88%的去除率优于稻壳（86%）、甜菜渣（85%）等传统吸附剂（表1）。
- **扩展性挑战**：规模化应用需解决pH波动（工业废水常偏离5.5-7.0范围）、果皮季节性供应及长期运行稳定性问题。

### 5. 机制解析
- **官能团作用**：酚羟基与羧酸通过配位键和离子交换吸附Cd2?，负电荷表面在pH>4.5时增强离子吸附。
- **传质限制**：IPD模型显示边界层效应主导动力学过程，提高搅拌速率（等效动态流速）可使边界层厚度降低40%-60%。

### 6. 结论与建议
研究证实Artocarpus nobilis果皮在静态和动态条件下均能有效去除Cd2?，其广pH适应性（5.5-7.0）和热稳定性为工业化提供了理论基础。建议后续研究：
1. 开发pH自适应预处理工艺，解决复杂工业废水pH波动问题
2. 优化床层结构（如多级串联柱）应对高浓度（>300 mg/L）废水
3. 探索果皮再生能力，评估长期使用后的吸附性能衰减
4. 构建经济模型，比较生物吸附与化学沉淀/离子交换的成本效益

该成果为热带地区农业废弃物资源化利用提供了新思路，特别是在电子工业废水处理领域具有潜在应用价值。