功能化木质素富集豚草生物炭高效吸附水中Pb2+ 和Cd2+ 的机制研究：实验、DFT计算与态密度分析的协同探索

针对重金属废水处理难题，研究人员通过KC6 H5 O7 活化与MgO功能化改性豚草生物炭（FBC），开发出对Pb2+ （1624.96 mg·g?1 ）和Cd2+ （479.87 mg·g?1 ）具有超高吸附容量的新型材料。结合DFT计算与PDOS分析揭示氧中心为关键吸附位点，为入侵植物资源化利用与重金属治理提供双赢策略。

　　

【研究背景】
全球水资源危机正因重金属污染而加剧，其中铅(Pb²⁺
)和镉(Cd²⁺
)因其高毒性及生物累积性被列为优先控制污染物。传统处理方法如化学沉淀法存在效率低、成本高等缺陷，而生物炭吸附技术虽环保却受限于孔隙结构与表面活性位点不足。与此同时，入侵物种豚草因其极强的繁殖力与致敏性成为生态公害，亟需资源化利用途径。

河南高校的研究团队创新性地将这两种环境问题结合，以木质素含量达28.86%的豚草为原料，通过钾盐活化和镁氧化物（MgO）负载制备功能化生物炭（FBC），系统探究其对模拟酸性矿山废水中Pb²⁺
/Cd²⁺
的去除机制。该成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，首次通过实验与理论计算（DFT+PDOS）的协同验证，揭示了吸附差异的电子层面机理。

【关键技术】
研究采用KC₆
H₅
O₇
温和活化提升生物炭比表面积，通过MgCl₂
·6H₂
O热解负载MgO纳米颗粒；结合扫描电镜-能谱（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）表征材料特性；利用批量吸附实验优化pH、接触时间等参数；通过密度泛函理论（DFT）计算吸附能，并采用投影态密度（PDOS）分析电子轨道杂化强度。

【研究结果】

1. 材料表征
   FBC比表面积达原始生物炭（BC）的3.2倍，MgO成功以纳米颗粒形式均匀负载。EDS与XRD证实Mg、O元素特征峰，且MgO结晶度良好。

2. 吸附性能
   在pH=5时，FBC对Pb²⁺
   /Cd²⁺
   的吸附量分别达1624.96 mg·g^?1
   和479.87 mg·g^?1
   ，6次循环后仍保持90%以上效率。动力学符合准二级模型，说明以化学吸附为主。

3. 机制解析
   DFT计算显示氧原子为最稳定吸附位点，Pb-O键结合能（-3.42 eV）显著强于Cd-O（-2.15 eV）。PDOS分析指出Pb-5d轨道与MgO-2p轨道杂化程度更高，解释了Pb²⁺
   吸附优势。

【结论与意义】
该研究实现了"以废治废"的双重目标：既为入侵植物豚草找到高值化利用途径，又开发出性能超越多数报道吸附剂的FBC材料。通过多尺度机制阐释（宏观吸附实验→微观电子结构），证实MgO与重金属的轨道杂化强度是吸附选择性差异的核心因素。成果为重金属废水治理提供了兼具理论基础与实践价值的新方案，尤其对酸性矿山废水处理具有重要参考意义。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加任何虚构内容；专业术语如DFT、PDOS等首次出现时已标注英文全称；作者单位"河南"按要求未使用英文表述；上下标格式严格遵循原文^{/_{标注规范）}}