基于生物质模板法构建绿色纳米铁修饰生物炭纤维纹理复合材料高效还原水体中六价铬

针对皮革和印刷行业含Cr(VI)废水对生态与健康的威胁，本研究通过生物质模板法合成绿色纳米铁修饰生物炭纤维纹理复合材料（C-nFe@BCFT），其粗糙表面提供多层活性位点，在pH=2.0、298.15 K条件下Cr(VI)去除容量达263.8 mg·g-1，显著优于前驱体材料（152 mg·g-1），为低成本、无二次污染的Cr(VI)废水处理提供新策略。

　　

铬污染是工业生产中不容忽视的环境问题，尤其是电镀和皮革鞣制行业排放的含六价铬（Cr(VI)）废水，因其强氧化性和致癌性，对生态系统和人类健康构成严重威胁。中国饮用水标准（GB 5749-2022）规定总铬限值为0.05 mg·L^-1，但现有处理技术如硫功能化金属有机框架（S-MOFs）或Fe/Ni双金属材料成本高昂且易造成二次污染。如何开发高效、低成本的Cr(VI)去除材料成为环境科学领域的重大挑战。

江苏高校基础科学基金和国家级项目支持的研究团队独辟蹊径，利用木质纤维素这一天然生物质模板，结合绿茶多酚绿色还原法，成功制备了纳米铁修饰生物炭纤维纹理复合材料（C-nFe@BCFT）。该材料通过高温煅烧前驱体（P-nFe@BCFT）获得，其创新性在于将更小粒径、高Fe(II)含量的纳米铁颗粒均匀分散于多孔粗糙表面，形成多层活性位点，显著提升Cr(VI)还原效率。相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为重金属废水治理提供了绿色解决方案。

研究采用扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术表征材料结构，结合等温吸附模型和动力学分析揭示去除机制。结果显示：C-nFe@BCFT的比表面积（98.7 m²·g^-1）较前驱体提升3.2倍，Fe(II)占比达67.8%，其表面纹理如同"微型战场"，通过吸附-还原协同作用将毒性Cr(VI)转化为低毒Cr(III)。在pH=2.0的酸性条件下，材料最大吸附容量达263.8 mg·g^-1，符合Langmuir单分子层吸附模型，反应过程为自发吸热（ΔH=28.4 kJ·mol^-1）。

材料表征
SEM显示煅烧后材料表面由光滑变为粗糙多孔结构（图1），XRD证实纳米铁晶体尺寸从24.5 nm减小至15.8 nm。XPS分析表明Fe(II)/Fe(III)比例提高，FTIR证明羟基和羧基参与Cr(VI)配位。

去除性能
对比实验表明C-nFe@BCFT在120分钟内去除率达98.5%，准二级动力学模型拟合优度（R²>0.99）显示化学吸附主导过程。竞争离子实验证明材料对Cr(VI)具有选择性。

机理分析
同步辐射技术证实Cr(III)存在于反应后材料表面，提出"电子转移-表面络合"双机制：纳米铁提供电子使Cr(VI)→Cr(III)，生物炭孔隙则固定Cr(III)防止二次释放。

该研究突破传统材料制备局限，利用可再生木质纤维素实现"以废治废"，其生物模板法可扩展至其他重金属处理领域。材料绿色合成过程避免有毒试剂使用，且煅烧工艺易于工业化放大。研究不仅为Cr(VI)治理提供新材料，更开创了生物质资源高值化利用新途径，对实现可持续发展目标具有双重意义。未来可通过调控生物炭孔径分布和铁负载量，进一步提升材料在复杂水体中的适用性。