高钾果皮生物炭强化废水中铊(I)去除的机制与效能研究

推荐：针对工业废水中高毒性铊(Tl(I))污染治理难题，研究人员系统探究了香蕉皮等高钾果皮生物炭的修复机制。研究发现K(I)-Tl(I)阳离子交换主导吸附过程，氯介导的TlCl沉淀协同作用，最大吸附量达224 mg/g，实际酸性矿山废水处理可使Tl浓度降至2 μg/L以下。该研究为重金属污染治理提供了经济高效的生物质资源化方案。

　　

铊(Tl)作为剧毒重金属，在半导体、超导体等工业领域广泛应用，其单价态Tl(I)因高水溶性和生物累积性对生态环境构成严重威胁。传统化学沉淀、离子交换等处理方法在酸性条件下效率低下，而生物炭因其多孔结构和丰富官能团成为新兴吸附材料。尽管生物炭对铅(Pb)、镉(Cd)等重金属的去除已有研究，但针对Tl(I)的吸附机制，特别是生物炭内源钾(K)的作用机制仍不明确。这限制了生物炭在Tl污染治理中的精准应用。

为解决这一科学问题，中国的研究团队选取香蕉、西瓜、榴莲等高钾果皮生物炭，系统研究其对Tl(I)的去除效能与机制。研究通过表征生物炭理化性质，结合吸附动力学、等温线和实际废水处理实验，揭示了钾形态分布与Tl去除的构效关系。该成果发表在《Desalination and Water Treatment》期刊，为开发靶向性Tl污染修复策略提供了理论依据。

关键技术方法包括：1) 500℃限氧热解制备五种果皮生物炭；2) 采用SEM-EDS/XRD/FT-IR/XPS多尺度表征材料特性；3) 通过K浸出实验量化可交换钾含量；4) 建立伪二级动力学和Langmuir等温模型解析吸附行为；5) 实际酸性矿山废水(含Tl 7.0 μg/L)验证应用效果。

研究结果：
3.1 形态结构表征
SEM显示香蕉皮生物炭具有粗糙层状结构，EDS证实钾均匀分布(12.4%)。XRD检测到KCl晶体衍射峰，而榴莲壳生物炭呈无定形态。

3.2 钾形态分析
浸出实验将钾分为三类：可溶性松散结合钾(DI水浸出)、树脂状可交换钾(10 mM HCl释放)和基质内紧密结合钾。香蕉皮生物炭总钾达13.22%，24小时最大钾释放量164.0 mg/g。

3.3 Tl去除性能
pH 5.8时香蕉皮生物炭对10 mg/L Tl(I)去除率>93.58%，显著优于橙子皮生物炭(钾含量仅2.67%)。共存离子(Ca²⁺、Na⁺)影响微弱，但腐殖酸(HA)会竞争吸附位点。

3.6 吸附动力学
伪二级动力学模型(R²>0.99)表明化学吸附主导过程，30分钟达平衡。Langmuir模型拟合最大吸附量224 mg/g，优于多数报道材料。

3.8 实际应用
处理pH=2.9的矿山废水时，3 g/L投加量使Tl浓度降至2 μg/L以下。碱沉淀预处理(pH=8)联合生物炭可将Tl进一步降至0.1 μg/L，满足饮用水标准。

3.10 作用机制
XPS证实吸附后Tl 4f峰出现(119.1 eV对应TlCl)，K 2p峰消失。线性模型显示ΔTl=2.08ΔK，表明除1:1离子交换外，氯沉淀(TlCl)和表面络合(O-H/Tl⁺)共同作用。

结论与意义：
该研究阐明高钾生物炭中三类钾形态的分布规律，首次量化了可交换钾对Tl(I)去除的贡献率。提出的"阳离子交换-氯沉淀"协同机制突破了传统吸附认知，224 mg/g的吸附容量创同类材料新高。实际废水处理中"碱沉淀-生物炭"联用技术的成功验证，为酸性矿山排水治理提供了可规模化应用的解决方案。研究不仅推动了对生物炭界面反应分子机制的理解，更实现了农业废弃物(果皮)在环境修复中的高值化利用，兼具生态与经济双重效益。未来研究可结合DFT计算深入解析K-Tl相互作用能垒，并开展长期田间试验评估材料稳定性。