KOH改性海藻生物炭吸附剂循环去除与回收水溶液中钒的机理研究及表征

本研究通过KOH改性海藻生物炭（BCKOH）实现了水溶液中钒（V(V)）的高效吸附（最大吸附量48.8 mg·g?1），揭示了其物理吸附主导的放热机制（ΔH°=?25.97 kJ·mol?1）及pH依赖性（最佳pH 3.5-4.5）。创新性证明2 mol·L?1 KOH可高效再生吸附剂并保持循环稳定性，为酸性工业废水处理提供了经济环保的被动吸附技术方案。

　　

研究背景

钒（V）作为钢铁和航空航天领域的关键原材料，其工业废水存在高毒性和生物累积风险。传统处理方法如化学沉淀和膜过滤存在污泥量大、成本高等缺陷，而生物吸附技术因其选择性高、可循环等特点成为研究热点。海藻生物炭因其丰富表面官能团被视为理想吸附剂，但相关改性研究仍有限。

材料与方法

研究以爱尔兰西南海岸采集的泡叶藻（Ascophyllum nodosum）为原料，通过KOH活化（700°C限氧裂解）制备改性生物炭（BC_KOH）。采用BET、FTIR、SEM-EDX和XPS等技术表征材料特性，并通过批式实验考察pH（2-12）、温度（293-343 K）、离子强度（0-400 mg Na⁺·L^?1）对V(V)吸附的影响。

表征结果

KOH改性使生物炭比表面积从97.3激增至787.2 m²·g^?1，孔体积扩大9倍。XPS显示表面氧含量从19.61%提升至29.94%，新增C=O（287.5 eV）和C-OH（1000 cm^?1）官能团。SEM观察到改性后形成的介孔结构，为V(V)吸附提供通道。

吸附机制

1. pH依赖性：在pH_pzc=10的BC_KOH表面，pH 3.5-4.5时H₂VO₄^?与质子化位点静电吸引，吸附量达峰值44 mg·g^?1；pH>4.5后表面正电荷减少导致吸附下降。
2. 动力学：Elovich模型（R²=0.940）和PSO模型表明吸附含多步过程，30分钟内快速膜扩散（k_i1=2.446 mg·g^?1·min^?1/2）后转为颗粒内扩散主导。
3. 热力学：ΔG°=?8.24 kJ·mol^?1（293 K）证实自发吸附，ΔH°=?25.97 kJ·mol^?1提示物理吸附为主。

环境适应性

Na⁺浓度增至400 mg·L^?1时，V(V)吸附量仅从42.4降至30.5 mg·g^?1，显示良好抗盐干扰能力。

循环再生

2 mol·L^?1 KOH解吸后，BC_KOH经三次循环仍保持94.9%再生效率，XPS证实V 2p_3/2峰（518 eV）可逆消失，体现吸附-脱附的可逆性。

应用前景

该材料在酸性工业废水中展现出成本效益与稳定性优势，未来需开发连续流工艺以推动产业化应用。研究为重金属污染治理与资源回收提供了新型解决方案。