钾氢氧化物改性咖啡渣生物炭对水中Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)和Cr(III)的高效协同吸附机制研究

为解决水体中Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)和Cr(III)等重金属污染问题，西南林业大学团队通过高温热解结合KOH改性技术制备了K-K800生物炭。研究发现，该材料在pH 6、投加量2 g·L?1条件下，对Pb(II)吸附量高达229.67 mg·g?1，且符合Langmuir单层吸附模型。该研究为农业废弃物资源化及复合重金属污染治理提供了绿色解决方案。

　　

随着工业快速发展，采矿、电镀等行业排放的Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)和Cr(III)等重金属对水环境构成严重威胁。这些金属离子不仅难以降解，还会通过食物链富集危害人体健康。传统处理方法如化学沉淀法易产生二次污染，而普通生物炭吸附效率有限。如何将农业废弃物转化为高效吸附剂，成为环境治理领域的重要课题。

西南林业大学的研究团队以废弃咖啡渣为原料，通过400-800℃梯度热解制备K400/K600/K800系列生物炭，并筛选K800进行KOH化学改性获得K-K800。研究发现，高温热解使材料比表面积提升至729.071 m²·g^?1，FTIR显示其表面富含羟基(-OH)和羰基(C=O)等活性基团。在pH 6、投加量2 g·L^?1条件下，K-K800对Pb(II)的吸附量达229.67 mg·g^?1，远超未改性样品(48.9 mg·g^?1)。

3.1 生物炭筛选
通过元素分析和SEM表征发现，800℃热解的K800具有最高比表面积(87.468 m²·g^?1)和丰富孔隙结构，其H/C比(0.021)表明高度石墨化特征，对Pb(II)吸附量较400℃样品提升3.7倍。

3.2 改性生物炭表征
KOH改性使K-K800灰分含量从9.6%增至16.22%，(O+N)/C比提升至0.872，XRD显示其晶体结构无序度增加。吸附后FTIR谱图中3454 cm^?1处-OH峰减弱，证实表面配位作用。

3.3-3.4 吸附条件优化
响应面法确定最佳条件为：投加量2.4 g·L^?1、初始浓度428 mg·L^?1、pH 8。动力学拟合显示伪二级模型R²>0.95，表明化学吸附主导过程。

3.5-3.6 吸附机制
Langmuir模型拟合度优于Freundlich模型，证实单分子层吸附特征。K-K800对Pb(II)最大理论吸附量达428.6 mg·g^?1，是商用活性炭的2.1倍。

3.7-3.8 实际应用验证
共存Mg²⁺和土霉素(OTC)仅使Pb(II)去除率降低6.53%，4次循环后仍保持91.3%效率，SEM显示吸附后材料孔隙结构保持完整。

该研究创新性地将咖啡渣通过"高温热解+碱改性"双重优化，解决了传统生物炭吸附容量低、pH适用范围窄的难题。K-K800对Pb(II)的吸附性能(428.6 mg·g^?1)显著高于文献报道的改性膨润土(198 mg·g^?1)和纳米材料吸附剂。研究不仅为农业废弃物高值化利用提供新思路，其开发的Box-Behnken设计方法还可推广至其他复合污染治理领域。论文发表于《Desalination and Water Treatment》，对推动绿色吸附剂的实际应用具有重要指导意义。