利用龙舌兰蔗渣水热炭同步去除地下水中砷氟污染物的优化研究

本研究针对地下水中砷(As)和氟(F)污染难题，通过优化龙舌兰蔗渣水热碳化(HTC)工艺参数（300°C/80min），开发出兼具高吸附容量（As:0.98μg·g-1 ，F:91.95μg·g-1 ）和循环稳定性的多功能水热炭。采用3K 因子设计结合SEM-FTIR-TGA表征，首次实现天然地下水中双污染物同步去除，为发展中国家低成本水处理提供新方案。

　　

全球约50%人口依赖地下水，但砷(As)和氟(F)污染正威胁2亿人健康，其浓度常超过WHO限值（As<0.01mg·L^-1
，F<1.5mg·L^-1
）。传统水处理技术存在高能耗、二次污染等缺陷，而源自生物质的水热炭(hydrochar)因其丰富氧功能团和低成本特性成为研究热点。墨西哥奇瓦瓦自治大学的研究团队创新性利用当地特产龙舌兰酒副产品——龙舌兰蔗渣(Sotol bagasse)，通过水热碳化(HTC)工艺开发出可同步去除As/F的双功能吸附剂，相关成果发表于《Groundwater for Sustainable Development》。

研究采用3^K
全因子设计优化HTC参数，结合扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)表征材料特性。吸附实验使用真实地下水样本，通过Langmuir和Freundlich模型拟合等温线，并开展多轮吸附-脱附循环验证稳定性。

【材料与方法】
龙舌兰蔗渣取自墨西哥奇瓦瓦州(28.138611°N)，经40目筛分后，在180-300°C区间进行HTC处理。通过响应面法优化温度/时间组合，采用Pareto分析筛选最优工艺。

【结果】

1. 原料特性：蔗渣高木质素含量(31.2%)赋予优异碳化潜力，HTC后碳含量提升至55-74%。
2. 工艺优化：300°C/80min制备的hydrochar展现最佳性能，比表面积达8.9m²
   ·g^-1
   ，FTIR证实富含羧基/羟基等吸附位点。
3. 吸附性能：真实地下水中As/F同步去除率达WHO标准，镍(Ni)共去除现象揭示多重吸附机制。
4. 循环经济：80吨/年蔗渣废弃物实现资源化，处理成本较活性炭降低60%。

【结论】
该研究首次证实龙舌兰蔗渣hydrochar对天然地下水中As/F的协同去除能力：

1. 温度主导HTC过程，300°C时碳骨架重构形成多级孔隙结构；
2. 氧功能团通过配体交换和静电作用实现阴离子捕获，镍共吸附暗示存在阳离子桥机制；
3. 未调节pH条件下，2次吸附循环即可使As达标，F去除仅需增加吸附剂剂量；
4. 相比传统活性炭，HTC工艺节能40%且无化学活化污染。

这项工作为发展中国家偏远地区提供了"废弃物-吸附剂-净水"的闭环解决方案，其材料设计策略可延伸至其他含氧生物质的资源化利用。后续研究将聚焦于固定床反应器设计和再生工艺优化，推动技术向工程化应用迈进。