Fe3O4纳米颗粒吸附动力学与热力学研究：预处理废弃马铃薯皮水解液中抑制剂的绿色高效去除

本研究针对木质纤维素生物加工中抑制剂（酚类、糠醛等）影响发酵效率的问题，通过Fe3O4纳米颗粒吸附技术，系统探究了pH、温度、吸附剂剂量等因素对去除效率的影响。结果表明该吸附剂通过化学吸附机制实现多分子层/单层协同去除，最大吸附容量达24.39 g/g（乙酸），且可重复使用3次以上。该研究为生物加工抑制剂绿色去除提供了新策略。

　　

在可持续能源生产领域，木质纤维素生物质（LB）因其可再生性和丰富性备受关注。然而，其预处理过程中产生的酚类、糠醛、乙酸等抑制剂（ICs）会显著延长微生物发酵滞后期、干扰代谢过程，甚至抑制酶活性，最终降低生物加工效率。传统吸附剂如活性炭存在效率低、难回收等问题，亟需开发新型高效吸附材料。

针对这一挑战，研究人员聚焦磁性Fe₃O₄纳米颗粒（NPs），系统研究了其对废弃马铃薯皮（WPP）预处理水解液中5种关键抑制剂（酚、糠醛、5-羟甲基糠醛HMF、乙酸、甲醛）的吸附性能。通过共沉淀法合成Fe₃O₄ NPs后，采用SEM-EDS、TEM、FTIR等技术表征其理化性质，并通过批量吸附实验考察pH（1.0-8.0）、温度（20-60°C）、吸附剂剂量（0.005-0.1 g）等参数的影响。吸附动力学采用伪一级（PFO）、伪二级（PSO）、Elovich和颗粒内扩散模型分析，等温线通过Langmuir、Freundlich和Temkin模型拟合，并结合热力学参数（ΔG⁰、ΔH⁰、ΔS⁰）阐明吸附机制。

3.1 Fe₃O₄ NPs吸附剂特性
表征显示合成的Fe₃O₄ NPs平均粒径20.08±3.08 nm（TEM），比表面积59.650 m²/g（BET），零电荷点（PZC）为5.0。吸附抑制剂后粒径增至44.84 nm（TEM），FTIR证实Fe–O（555 cm^?1）和C=O（1632 cm^?1）等基团参与相互作用，XRD显示磁铁矿相保留率达70.1%，确保磁性回收可行性。

3.2 抑制剂吸附性能
优化条件下（pH 4.14，35.37°C，0.021 g吸附剂），吸附容量依次为：乙酸（24.39 g/g）> HMF（3.917 g/g）>糠醛（2.609 g/g）>甲醛（1.684 g/g）>酚（0.079 g/g）。pH影响显著，酸性条件（pH 2.0）更利于甲醛吸附（2.78 g/g），而酚和乙酸在碱性条件（pH 8.0）去除率更高（100%和89.24%）。

3.3 吸附动力学与等温线
PSO模型（R²>0.901）最佳拟合所有抑制剂数据，表明化学吸附主导过程。等温线分析显示酚和HMF符合Langmuir模型（单层吸附，R²=0.997/0.966），乙酸和甲醛符合Freundlich模型（多层吸附，R²=0.985/0.980），糠醛则更适配Temkin模型（R²=0.970），反映吸附能分布不均。

3.5 热力学分析
ΔG⁰负值（-7.144至-0.277 kJ/mol）证实吸附自发进行。除糠醛（ΔH⁰=-7.193 kJ/mol，放热）外，其他抑制剂ΔH⁰为正值（6.916-26.406 kJ/mol），表明吸热过程。ΔS⁰增加（最高91.620 J/mol·K）显示固液界面无序度提升。

3.6 实际应用潜力
Fe₃O₄ NPs经3次循环仍保持近100%吸附效率，磁分离特性显著降低操作成本。

该研究首次系统阐明了Fe₃O₄ NPs对木质纤