综述：对源自动物粪便的低成本生物吸附剂的深入评估：其在有效吸附染料污染物方面的应用

本研究系统评估了动物粪便基生物吸附剂（ADBBs）对水溶液中染料的吸附性能。通过分析241篇文献发现，经NaOH/KOH等化学活化的生物炭吸附效率最高，对罗丹明B的吸附容量达1241 mg/g，主要机制包括氢键、静电相互作用和π-π作用。ADBBs在3-10次循环后仍能保持70%以上吸附效率， techno-economic分析显示其成本仅为商业活性炭的1/3-1/10，且符合循环经济理念。研究证实ADBBs在工业废水处理中兼具环境友好性和经济可行性。

　　
### 动物粪便基生物吸附剂对水溶液中染料污染物的吸附性能与机制研究综述

#### 1. 研究背景与意义
随着全球工业化进程的加速，染料废水因其高毒性、难降解性和视觉污染性成为水体治理的重要挑战。传统处理方法如化学沉淀、膜分离等存在成本高、二次污染等问题。近年来，生物质废弃物资源化利用成为研究热点，动物粪便作为农业废弃物的重要组成部分，因其丰富的表面功能基团和可调控的孔隙结构，被广泛探索为生物吸附剂（ADBBs）的原料。本文系统综述了动物粪便基吸附剂对染料的吸附性能、机制及再生潜力，旨在为低成本、可持续的水处理技术提供理论支持。

#### 2. 动物粪便基吸附剂的制备与性能优势
动物粪便（如牛粪、猪粪、羊粪等）经高温炭化或化学活化处理后，可转化为高比表面积（300–5000 m2/g）的活性炭或生物炭，其吸附性能显著优于未改性材料。例如：
- **牛粪生物炭**：经NaOH/KOH混合活化后，对罗丹明B（RhB）的吸附容量达1241 mg/g，远超普通活性炭。
- **改性猪粪生物炭**：通过硫酸或磷酸活化，表面含氧官能团（如羧基、羟基）增加，对直接红23的吸附容量提升至96.9 mg/g。

**性能优势**：
- **低成本**：动物粪便作为农业废弃物，原料获取成本低廉。
- **高可重复性**：再生后吸附效率可保持初始值的70%以上，经济性显著。
- **多机制协同**：结合物理吸附（范德华力）与化学吸附（氢键、离子交换），适应复杂水质条件。

#### 3. 吸附性能对比分析
通过系统评估241篇文献，发现以下规律：
- **最佳吸附剂类型**：化学改性生物炭（如NaOH/KOH活化）对阳离子染料（如甲基橙、罗丹明B）的吸附容量显著高于未改性生物炭。例如，NaOH-KOH共活化牛粪生物炭对RhB的吸附容量达1241 mg/g，是普通牛粪炭的5倍以上。
- **pH与温度影响**：
- **酸性条件（pH < 6）**：吸附容量普遍较高（如猪粪炭在pH=6时对甲基蓝吸附容量53.7 mg/g），因此时生物炭表面带负电，增强对阳离子染料的静电吸附。
- **温度效应**：升高温度通常有利于吸附（如羊粪炭在35℃时对MB吸附容量达238 mg/g），可能与孔隙结构膨胀和官能团活性增强有关。
- **表面活性剂改性**：添加Ca2?、Fe?O?等金属离子或纳米材料可进一步优化吸附性能。例如，Ca改性猪粪炭对直接红23的吸附容量较未改性品提升22%。

#### 4. 吸附机制与化学动力学
**主要吸附机制**：
1. **氢键作用**：生物炭表面含氧官能团（-OH、-COOH）与染料分子中的羰基、氨基等形成氢键，如牛粪炭对RhB的吸附中，氢键贡献率达60%以上。
2. **静电相互作用**：阳离子染料（如甲基蓝）与生物炭表面负电荷的静电吸引是主要机制，尤其在酸性条件下（pH < 6）。
3. **π-π相互作用**：芳香族染料（如茜素红）与生物炭表面芳香环结构通过π电子供体-受体作用结合，改性后吸附容量可提升3倍。

**动力学模型**：
- **伪二阶动力学（PS2）**：在241篇研究中，PS2模型（R2 > 0.95）是描述吸附过程的最优模型，表明吸附受化学键合步骤控制，如NaOH活化牛粪炭对RhB的吸附符合PS2模型（R2=0.994）。
- **速率常数差异**：化学改性生物炭的速率常数（K?）普遍高于未改性品，如KOH活化羊粪炭的K?为0.0088 min?1，而未改性品仅为0.0012 min?1。

#### 5. 热力学与再生性能
- **热力学参数**：
- **吉布斯自由能（ΔG°）**：绝大多数吸附过程ΔG° < 0，表明自发进行（如 cow dung biochar 对MB的ΔG°=-1911 kJ/mol）。
- **焓变（ΔH°）**：正值（如猪粪炭对MB的ΔH°=32.5 kJ/mol）表明吸附为吸热过程，依赖化学键形成；负值（如 cow dung biochar 对MB的ΔH°=-12944 kJ/mol）则可能因表面官能团重构导致。
- **熵变（ΔS°）**：正值（如 goat dung biochar 对RhB的ΔS°=0.0904 kJ/mol·K）表明吸附过程伴随界面无序性增加。
- **再生与循环性**：
- **再生剂选择**：水洗（效率保持90%以上）或稀酸（如0.1 M HCl）再生效果最佳，热再生（500℃）可将吸附容量恢复至85%以上。
- **循环次数**：牛粪炭对MB的吸附可循环10次，吸附容量衰减仅8%（如第10次循环q?=97.5 mg/g）。

#### 6. 实际应用与挑战
- **工业适用性**：在模拟废水（含NaCl、有机物）和真实印染废水（pH=6.5, 浓度80 mg/L）中，goat dung H?PO?炭对Coomassie蓝的吸附容量分别为270 mg/g（模拟）和189 mg/g（真实废水），证明其抗干扰能力。
- **经济性分析**：牛粪炭的生产成本约0.98–1.00美元/kg，再生后成本可降至0.10美元/kg（循环10次），显著低于商业活性炭（1.5–10美元/kg）。
- **现存挑战**：
1. **多污染物协同吸附**：现有研究多针对单一染料，需进一步探索复合污染（如MB与COD共存的）下的选择性吸附策略。
2. **长期稳定性**：长期使用后生物炭表面官能团可能被消耗，需开发表面功能化改性技术（如接枝聚苯胺）。
3. **规模化限制**：实验室规模（<1 kg）吸附效率高，但工业级（>100 kg/d）需解决传质速率和再生能耗问题。

#### 7. 未来研究方向
1. **人工智能优化**：利用机器学习模型预测最佳改性条件（如NaOH/KOH比例、活化温度），缩短研发周期。
2. **纳米复合吸附剂**：将石墨烯、Fe?O?纳米颗粒与生物炭复合，构建磁响应吸附材料，提升分离效率。
3. **生命周期评估（LCA）**：量化生物炭制备、吸附、再生全过程的碳排放和资源消耗，支撑绿色认证。
4. **多技术耦合**：结合光催化降解（如TiO?负载生物炭）实现染料原位降解与吸附同步进行。

#### 8. 结论
动物粪便基生物吸附剂通过化学改性显著提升了吸附容量与选择性，其再生性能和成本效益使其成为工业级水处理技术的潜在解决方案。未来需加强多污染物协同吸附机制研究，并开发规模化制备与再生工艺，以推动其在印染、制药等行业的实际应用。