布鲁氏松果预处理对碱性品红动态生物吸附的影响：动力学与热力学机制解析

本研究针对工业废水中难降解有毒染料碱性品红(BF)的污染问题，系统评估了布鲁氏松果(Pinus brutia)锥体原料(PCB-Raw)、煅烧(PCB-Cal)和磷酸活化(PCB-0.5M)三种生物吸附剂的去除效能。通过BET、FTIR等技术表征发现化学活化使比表面积提升630倍(0.16→100.9 m2/g)，在pH 2-4条件下30分钟内实现>95%去除率，最大吸附量达500 mg/g。动力学符合伪二级模型(R2>0.99)，热力学参数(ΔH°=-15.8~-22.4 kJ·mol-1)证实其为自发放热过程，为农林废弃物资源化提供新思路。

　　

工业废水中的合成染料污染是当今环境治理的重大挑战，其中三苯甲烷类染料碱性品红(Basic Fuchsin, BF)因其致癌性、致突变性和环境持久性备受关注。传统处理方法如膜过滤、臭氧氧化等存在成本高、二次污染等问题，而生物吸附技术因其经济环保特性成为研究热点。地中海地区广泛分布的布鲁氏松果(Pinus brutia)锥体作为林业废弃物，其吸附潜能尚未充分开发。Faiza Zahaf团队在《Desalination and Water Treatment》发表的研究，首次系统比较了不同预处理方式对该生物质吸附性能的影响机制。

研究采用煅烧(500°C/3h)和磷酸(0.5M H₃PO₄)活化对原料进行改性，通过氮气吸附-脱附(BET)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)表征材料特性。批量吸附实验考察pH(1-10)、接触时间(5-180min)、温度(20-60°C)等因素，结合Langmuir/Freundlich等温线和伪二级动力学模型解析吸附机制。

3.1 材料表征结果

FTIR显示原料在3400 cm^-1处存在羟基特征峰，煅烧后消失并出现1600 cm^-1羰基新峰，磷酸活化则形成羧酸基团。TGA证实活化材料热稳定性提升，PCB-0.5M在265°C才发生主降解。BET分析揭示化学活化使比表面积从0.16暴增至100.9 m²/g，孔隙体积扩大30倍。零电荷点(pH_PZC)测试表明活化材料表面酸性增强(PCB-0.5M pH_PZC=3.03)。

3.2 吸附性能

在pH 2-4的酸性条件下，所有材料30分钟内达吸附平衡，PCB-0.5M表现最优(>80 mg/g)。温度升高导致吸附量下降，60°C时PCB-Raw反常升至333 mg/g，但标准化比表面积后显示活化材料单位面积吸附量仍领先。等温线拟合发现原料符合Freundlich模型(多层吸附)，而改性材料更契合Langmuir模型(单层吸附)，磷酸活化材料最大理论吸附量达500 mg/g。

3.2.5 动力学研究

伪二级模型(R2>0.99)最佳拟合实验数据，表明化学吸附主导过程。Elovich模型证实表面异质性，Weber-Morris颗粒内扩散模型显示吸附分三阶段：快速表面吸附、渐缓的孔隙扩散和最终平衡。

3.2.6 热力学分析

ΔG°(-4.3~-7.1 kJ·mol^-1)证实过程自发进行，ΔH°(-15.8~-22.4 kJ·mol^-1)表明放热特性，ΔS°负值反映固液界面有序度增加。与 pistachio nutshells(118.2 mg/g)等生物吸附剂相比，磷酸活化松果性能提升显著。

该研究创新性地建立了预处理-结构特性-吸附性能的关联模型，证实磷酸活化可同步提升比表面积和表面酸性位点。快速平衡(≤30min)与高吸附容量使该材料具备工程应用潜力，为开发"以废治污"的循环经济模式提供范例。研究提出的表面归一化分析方法(如mg/m²吸附量)为生物吸附剂评价建立了新标准，其结论可推广至其他木质纤维素废弃物的资源化利用。