可回收溶剂改性禽类羽毛用于多种金属氧阴离子和阳离子的生物吸附：实验与模型研究

本研究针对工业废水中多种重金属离子共存、传统处理方法成本高且效率低的问题，开发了一种利用可回收溶剂（THF等）改性禽类羽毛（PFs）的新型生物吸附剂（TTPFs），实现了对氧阴离子（V5+、Cr6+、As3+）和阳离子（Cd2+、Co2+、Ni2+）的高效同步去除。THF改性羽毛表现出最优吸附性能，最大吸附容量达3.40–21.40 mg/g，且热稳定性增强。动力学和等温线拟合表明化学吸附为主导机制，扩展Langmuir模型成功描述多金属竞争吸附行为。该技术为油砂工艺废水等复杂体系提供了低成本、可持续的修复方案。

　　

随着工业扩张和城市发展，水污染已成为全球性难题，其中重金属污染尤为突出。砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、镍（Ni）、钴（Co）等重金属离子通过工业废水进入水体，不仅毒性强，还易在生物体内累积，引发癌症、器官损伤等严重健康问题。传统处理方法如沉淀、离子交换、反渗透等虽有效，但存在成本高、能耗大、操作复杂等局限。因此，开发低成本、高效率的吸附材料成为研究热点。农业废弃物因其来源广泛、富含功能性基团，被视为理想生物吸附剂。其中，禽类羽毛（PFs）作为 poultry 加工副产物，年产量巨大，且富含角蛋白（keratin）（90–91%）和多种官能团（羧基、羟基、氨基、巯基），具备优异金属结合潜力。然而，既往研究多采用 harsh chemicals（如EDTA、尿素）进行改性，过程复杂且环境不友好。此外，多数研究仅关注单一金属体系，与实际废水多组分共存情况不符。针对这些瓶颈，本研究提出用可回收溶剂（水、乙酸、甲苯、庚烷、己烷、四氢呋喃THF）改性PFs，旨在开发一种简便、可持续的多金属吸附剂，并深入探究其在复杂体系中的竞争吸附机制与热稳定性。

本研究由加拿大阿尔伯塔大学可再生资源系团队开展，论文发表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》。研究人员采集禽类羽毛（Sofina Foods供应），经清洗、干燥、粉碎后，用不同溶剂（水、5%乙酸、甲苯、庚烷、己烷、THF）在70°C（THF为67°C）下处理0.5小时，制备改性羽毛（TPFs）。以THF改性羽毛（TTPFs）为最优吸附剂，通过批次实验考察粒径（～2 mm至?150+75 μm）、剂量（0.005–0.025 g/mL）、初始浓度（1–100 mg/L）、时间（2–24 h）和pH（7.5）对多金属模拟水（MMSW）中氧阴离子（V⁵⁺、Cr⁶⁺、As³⁺）和阳离子（Cd²⁺、Co²⁺、Ni²⁺）吸附的影响。采用FTIR、TGA、DSC等技术表征材料结构与热性质，通过ICP-MS测定金属浓度，并运用动力学（PFO、PSO、Elovich、IPD）和等温线（Langmuir、Freundlich、Temkin、Sips）模型拟合数据，扩展Langmuir模型描述多组分竞争吸附。

表征与热分析

FTIR光谱显示，PFs经溶剂改性后，羟基（O–H）、酰胺I（1650 cm^?1）、酰胺II（1531 cm^?1）等官能团增强，THF处理导致峰位移（2962→2957 cm^?1）并新增1740 cm^?1峰，表明金属与O–H/酰胺基团相互作用。TGA显示三阶段失重：水分蒸发（100–150°C）、肽键断裂（～335°C），THF改性后分解速率升高（589.95 μg/min），残留减少，提示结构更疏松。DSC揭示两个热转变：变性峰（45–140°C）和熔融峰（220–250°C），THF改性后焓值（ΔH）增加，表明热稳定性提升。这些变化与吸附性能吻合，THF改性羽毛因官能团暴露和结构优化，吸附能力最强。

不同参数对生物吸附的影响

溶剂类型显著影响吸附效能：THF > 己烷 > 甲苯 > 庚烷 > 水 > 乙酸。THF改性羽毛对Cd²⁺、V⁵⁺、Co²⁺、Ni²⁺去除率最高（96.9%、44.5%、69.4%、68.9%），己烷和甲苯分别对Cr⁶⁺（78.3%）和As³⁺（43.6%）最优。粒径减小（?150+75 μm）提升比表面积，去除率显著增高（如Cd²⁺从81.2%升至87.1%）。剂量增加（0.005→0.025 g/mL）提供更多活性位点，但超过0.01 g/mL后Cr⁶⁺和Co²⁺去除率 plateaued。接触时间延长对氧阴离子吸附有利（Cr⁶⁺从17.3%增至80.8%），而阳离子因位点快速饱和，吸附略降（Co²⁺从67.1%降至56.1%），表明氧阴离子需更长时间达平衡。

吸附动力学与等温线

动力学拟合表明，PSO和Elovich模型（R²>0.93, χ²低）最适用，提示化学吸附为主导机制。IPD模型揭示阳离子和V⁵⁺吸附涉及表面与颗粒内扩散，而Cr⁶⁺和As³⁺以颗粒内扩散为主。等温线研究中，Langmuir模型（R²>0.99）最佳，表明单层均匀吸附。最大吸附容量（q_m）为：Cd²⁺（21.40 mg/g） > Ni²⁺（4.78 mg/g） > Co²⁺（4.35 mg/g） > As³⁺（4.13 mg/g） > V⁵⁺（3.40 mg/g） > Cr⁶⁺（2.63 mg/g），均高于未改性羽毛。R_L值（0.11–0.98）证实吸附 favorable。

多组分竞争吸附

在二元、三元和六元体系中，竞争吸附显著。氧阴离子中，V⁵⁺受影响最小（去除率降21–41%），Cr⁶⁺最大（降49–65%）；阳离子中，Ni²⁺最稳定（降45–59%），Cd²⁺和Co²⁺削减显著（64–75%）。六元体系中，影响顺序为：V⁵⁺（65.9%） < Ni²⁺（77.1%） < As³⁺（81.3%） < Cr⁶⁺（82.7%） < Co²⁺（83.6%） < Cd²⁺（83.6%）。竞争行为与离子特性相关：V⁵⁺因电荷密度高（607 C/mm³）、水合半径小，更易与质子化位点结合；Cd²⁺等阳离子则受去质子化位点竞争抑制。扩展Langmuir模型成功描述多组分吸附。

本研究证实，可回收溶剂（尤其THF）改性禽类羽毛是一种高效、低成本、热稳定的生物吸附剂，适用于复杂废水中多金属同步去除。THF处理增强了材料官能团活性与热稳定性，吸附以化学驱动的单层过程为主。竞争吸附中，V⁵⁺和Ni²⁺抗干扰能力强，而Cd²⁺最易受抑制。该技术为油砂工艺水（OSPW）等实际废水处理提供了可行方案，兼具环境与经济效益。未来需验证真实废水适用性，并深入研究中试放大、溶剂回收、生物降解性与毒性，以推动实际应用。