低成本材料固定床柱对铬(VI)吸附能力的比较研究及其环境应用价值

本研究针对水体中重金属铬(VI)污染治理难题，通过固定床柱实验系统比较了活性炭、锯末和稻壳三种低成本吸附材料对Cr(VI)的去除效能。研究发现活性炭在30 cm床高、30 ml/min流速条件下吸附效率最高（66.32%），突破时间达21.06分钟，Yoon-Nelson模型(R2=0.9476)能最佳描述吸附动力学。该研究为农业废弃物资源化利用提供了科学依据，对发展中国家水处理技术选择具有重要指导意义。

　　

随着全球工业化进程加速，重金属污染已成为威胁水安全的重大环境问题。其中，铬(Cr)作为电镀、制革等行业排放的典型污染物，其六价态Cr(VI)被国际癌症研究机构列为I类职业致癌物，在饮用水中的允许浓度限值仅为0.05 mg/L。传统吸附技术虽有效但成本高昂，如何开发经济高效的替代材料成为环境工程领域的研究热点。

针对这一挑战，克什米尔农业大学土壤科学与农业化学系的研究团队在《Scientific Reports》发表了创新性研究成果。该研究首次系统评估了活性炭、锯末和稻壳三种低成本材料在固定床柱体系中对Cr(VI)的持续吸附性能。通过设计不同床高（15/30 cm）、流速（30/40 ml/min）和进水浓度（30/60 mg/L）的实验组合，结合突破曲线分析和动力学模型拟合，揭示了材料结构与吸附效能的内在关联。

研究采用原子吸收光谱法（AAS）监测出水浓度，通过数值积分计算总吸附量。关键技术包括：1）固定床柱动态吸附实验设计；2）突破曲线特征参数（突破时间、饱和时间、传质区）计算；3）Adams-Bohart、Yoon-Nelson等动力学模型拟合比较。

吸附材料性能比较
活性炭展现出最优异的Cr(VI)去除能力（37.71-66.32%），其突破时间（11.02-21.06 min）显著长于稻壳（6.13-12.04 min）和锯末（5.93-11.85 min）。

显示三种材料的效率排序为：活性炭>稻壳>锯末，这与材料比表面积和孔隙结构的差异直接相关。

操作参数影响机制
床高增加使活性炭吸附量从53.66%提升至58.34%，传质区（MTZ）从12.73 cm扩展至22.98 cm。

证实流速从30增至40 ml/min时，锯末突破时间缩短0.24分钟，这与流体停留时间减少相关。60 mg/L高浓度进水使活性炭突破时间比30 mg/L条件提前1.89分钟，反映浓度梯度对吸附动力的影响。

模型拟合结果
Yoon-Nelson模型对实验数据的拟合优度（R²=0.9476）显著优于Adams-Bohart模型，其50%突破时间（τ）参数能准确预测柱操作周期。该模型不需要吸附剂特性参数，为实际工程应用提供了简便的计算工具。

这项研究的重要意义在于：首次量化比较了农业废弃物与商业活性炭在连续流系统中的性能差距，证实稻壳（含75-90%二氧化硅）可作为活性炭的经济替代品。研究者特别指出，虽然活性炭效率最高，但考虑到稻壳的易得性和成本优势（表3对比数据），在特定操作参数下后者更具实际应用价值。该成果为发展中国家水处理工艺选择提供了科学依据，推动了"以废治废"的可持续发展理念在环境工程领域的实践。