硫代氨基脲强化香蒲生物炭/黄原胶纳米复合材料对水体镉离子的高效去除机制研究

本研究针对水体镉污染治理难题，开发了一种硫代氨基脲(Thiosemicarbazide, TSC)强化的香蒲生物炭/黄原胶纳米复合材料(BCXT)。通过引入TSC增加-NH2 、-NH和-C=S等路易斯碱基团，该材料对Cd2+ 的吸附容量达252.26 mg/g，且8次循环后吸附效率仅降低4%，为重金属污染治理提供了可重复利用的新型生物吸附剂。

　　

随着全球工业化进程加速，重金属污染已成为威胁人类健康的"隐形杀手"。其中，镉(Cd²⁺
)作为剧毒重金属，在电池、颜料等工业中广泛应用，其在水体中的浓度即使低至3 μg/L（WHO标准）也可能引发肾衰竭、癌症等严重疾病。传统吸附材料如氧化褐煤、壳聚糖等存在吸附容量低（17.08-123.23 mg/g）、功能单一等问题，而农业废弃物转化生物炭虽成本低廉，但原始材料比表面积小、选择性差。如何开发兼具高吸附性能和环境友好特性的新型材料，成为环境治理领域的重大挑战。

沙特阿拉伯吉赞大学的研究团队创新性地将香蒲(Typha Latifolia)生物炭(BC)、天然多糖黄原胶(Xanthan gum)与硫代氨基脲(TSC)复合，构建出BCXT纳米复合材料。该材料通过热重分析、比表面积测定等技术表征，证实其具有649.5 m²
/g的高比表面积和丰富的表面官能团。在pH 6、25℃条件下，对Cd²⁺
的吸附量达252.26 mg/g，远超同类材料。非线性模型分析表明该过程符合伪一级动力学，是自发的(ΔG^o
= -4.6034 kJ/mol)、吸热的(ΔH^o
= 3.6754 kJ/mol)物理吸附。更值得注意的是，经过8次吸附-解吸循环后，材料仍保持96%的原始效率，展现出卓越的再生性能。这项发表于《International Journal of Biological Macromolecules》的研究，为农业废弃物高值化利用和重金属污染治理提供了创新解决方案。

研究采用热解法制备香蒲生物炭，通过铁离子交联将黄原胶与生物炭复合，再经TSC功能化获得BCXT。采用BET分析比表面积，FTIR和XPS表征官能团，Zeta电位测定pH_PZC
（零电荷点），并通过批量吸附实验优化条件。

材料表征
热重分析显示BCXT在120℃仅失重3.5%，表明良好热稳定性。比表面积达649.5 m²
/g，孔径1.424 nm，pH_PZC
为7.3。FTIR证实存在-NH₂
、-C=S等特征峰，XPS显示N、S元素成功引入。

吸附性能
在2.5 g/L投加量、pH 6、25℃条件下，30分钟达到吸附平衡。BCXT吸附容量(252.26 mg/g)分别是BCX和BC的1.8倍和3.2倍，归因于TSC提供的额外配位位点。

机理分析
伪一级动力学模型(R²

0.99)表明以物理吸附为主。Langmuir模型拟合优度最高，暗示单分子层吸附。负值的ΔG^o
和正值的ΔH^o
证实过程自发且吸热。

再生性能
用0.1M HNO₃
解吸后，8次循环吸附效率仅下降4%，结构稳定性显著优于多数生物基吸附剂。

该研究开创性地将农业废弃物生物炭与天然多糖、含硫氮化合物复合，解决了传统吸附剂功能单一、再生困难等瓶颈问题。BCXT材料中TSC提供的路易斯碱基团(-NH₂
、-C=S)与Cd²⁺
形成强配位作用，同时黄原胶的羧酸根基团增强离子交换能力。这种"生物炭骨架-多糖网络-分子修饰"的三级结构设计策略，为开发高性能环境修复材料提供了新思路。研究不仅实现了农业废弃物的资源化利用，其揭示的"多官能团协同吸附"机制对重金属吸附剂设计具有普适指导意义。