利用废弃木豆秆开发可持续活化生物炭并优化其高效吸附去除水中亚甲基蓝的性能研究

本研究针对农业废弃物处置和水污染控制的双重挑战，以废弃木豆秆（PPSW）为原料，通过氢氧化钠（NaOH）和氯化锌（ZnCl2）化学活化制备高性能活化生物炭（AB），采用Taguchi L9正交实验设计优化合成参数，实现亚甲基蓝（MB）100%去除率和7.51 mg/g吸附容量，为农业废弃物资源化与废水处理提供经济可持续的解决方案。

　　

随着城市化、工业化和农业集约化发展，全球每年产生大量农业废弃物，其中仅印度就年产近5亿吨。这些废弃物大多被焚烧或填埋，导致土壤、水体和空气污染，威胁生态平衡和人类健康。木豆秆（Pigeon Pea Stalk Waste, PPSW）作为印度主要农业废弃物之一，年产率高且利用率低，其转化利用成为解决环境问题和实现资源循环的关键。

在此背景下，研究人员探索将PPSW转化为高附加值吸附剂——活化生物炭（Activated Biochar, AB），用于高效去除水中的亚甲基蓝（Methylene Blue, MB）染料。本研究通过系统优化合成工艺，并深入分析吸附机制，为农业废弃物的可持续利用和废水处理提供了新思路。相关成果发表在《Biomass and Bioenergy》上。

为开展本研究，作者主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.

   以PPSW为原料，经过清洗、干燥、碳化（550°C，N₂氛围）和化学活化（NaOH或ZnCl₂）制备AB；

2. 2.

   使用Taguchi L9正交实验设计优化活化温度、时间、试剂与碳比例、搅拌速度四个参数；

3. 3.

   通过FESEM-EDX、XRD、FTIR、BET和Raman光谱对AB进行形貌、结构和表面性质表征；

4. 4.

   进行吸附动力学和等温线实验，评估MB去除性能；

5. 5.

   采用ANOVA统计分析验证模型显著性，并进行成本分析和再生实验。

3.1. 原料生物质表征

通过工业分析表明，PPSW固定碳含量为14.85%，具备良好碳化潜力，适合作为AB前体。

3.2. 活化生物炭表征

3.2.1. FESEM和EDX分析

原始PPSW表面光滑、孔隙有限，而NaOH-AB和ZnCl₂-AB均呈现明显多孔结构。EDX显示活化后碳含量下降，氧和活化剂元素（Na、Zn）出现，证实成功改性。

3.2.2. XRD分析

原始生物炭呈非晶态，活化后出现明显结晶峰，ZnCl₂-AB结晶度更高，表明其更有序的碳结构。

3.2.3. FTIR分析

检测到–OH、C=O、C–O等官能团，证实活化引入了丰富表面基团，增强吸附能力。

3.2.4. BET分析

NaOH-AB和ZnCl₂-AB比表面积分别达到53.83 m²/g和110.23 m²/g，孔隙以介孔为主，有利于MB分子扩散与吸附。

3.2.5. Raman光谱

D峰与G峰强度变化表明活化引入缺陷并促进部分石墨化，提升吸附活性。

3.3. ANOVA与统计分析

ANOVA表明活化温度、时间和试剂比例对吸附性能影响显著（p < 0.05），模型预测R2达0.99，验证了Taguchi方法的可靠性。

3.4. 参数对吸附性能的影响

NaOH-AB在低温（40°C）、中等比例（4:1）下表现最佳，而ZnCl₂-AB需更高温度（80°C）和更长时间（18 h）。搅拌速度影响较小。

3.5. 最优条件预测

NaOH-AB最优条件为80°C、24 h、4:1比例、400 rpm，ZnCl₂-AB为80°C、12 h、2:1比例、400 rpm，两者均实现近乎完全MB去除。

3.6. 模型实验验证

九组验证实验显示预测值与实验值高度吻合（R2 > 0.98），证明模型具有良好的预测能力和适用性。

3.7. 吸附动力学

伪二级动力学模型拟合优度更高（R2 = 0.99），表明MB吸附以化学吸附为主，涉及电子共享或交换。

3.8. 吸附等温线

Langmuir和Freundlich模型均良好拟合，Langmuir最大吸附量分别为88.49 mg/g（NaOH-AB）和92.59 mg/g（ZnCl₂-AB），说明以单层吸附为主，表面均匀。

3.9. 吸附机制

MB吸附主要通过静电吸引、氢键和表面官能团相互作用实现，FTIR和EDX证实染料成功吸附于AB表面。

3.10. 再生与重复使用

经过五次吸附-解吸循环，NaOH-AB和ZnCl₂-AB仅分别下降15%和17%，显示良好稳定性和可重复使用性。

4. 与其他研究对比

本研究AB的MB去除率（100%）优于以往报道的 papaya peel（92.4%）、areca nut husk（93.05%）等材料，且成本较低（$4.037–4.246/kg），具备显著竞争优势。

5. 成本分析

基于工业化价格估算，NaOH-AB和ZnCl₂-AB生产成本分别为4.037/kg和4.246/kg，表明该工艺在经济上可行，适于规模化应用。

6. 结论

本研究成功将废弃木豆秆转化为高效吸附剂，通过Taguchi优化和系统表征，明确了活化条件对AB性能的影响机制，实现了MB近乎完全去除。该工作不仅为农业废弃物高值化利用提供了技术路径，也为低成本、可持续的废水处理材料开发奠定了理论与实践基础，具有显著的环境和经济效益。