基于黑曲霉固态发酵的花生壳绿色功能化及其对Pb(II)的高效吸附：动力学、机理与经济性评估

本推荐语：本研究创新性地利用黑曲霉（Aspergillus niger）介导的固态发酵（SSF）技术对花生壳进行绿色功能化改性，成功开发出一种高效吸附Pb(II)的生物吸附剂。改性后吸附容量提升逾10倍（达36.82 mg/g），遵循Langmuir等温模型和伪二级动力学机制，且处理成本降低十倍以上，为重金属修复提供了环境友好型解决方案。

　　

Highlight

吸附剂制备

从印度西孟加拉邦本地农业市场采购的BG-1品种花生壳（Arachis hypogaea shells）经蒸馏水清洗和烘干后，采用从污染壳中分离的黑曲霉（Aspergillus niger）进行固态发酵（SSF）改性。该菌株通过测序鉴定，发酵过程中监测淀粉酶和漆酶活性以评估生物转化效果。

FGS表征

通过FTIR光谱分析发现，醛基C–H伸缩、烷烃C–H伸缩及胺基C–N伸缩等官能团在吸附过程中起关键作用。SEM图像显示发酵后表面孔隙结构显著增加，比表面积增大，为Pb(II)提供了更多结合位点。

吸附机理

Pb(II)在发酵花生壳（FGS）上的吸附经历三步机制：液膜扩散（film diffusion）控制离子跨边界层传输，颗粒内扩散（intraparticle diffusion）推动离子进入孔隙内部，最终通过络合、离子交换和静电作用与官能团（如–OH、–COOH）结合。

放大模型

基于质量平衡方程与Langmuir等温模型整合，推导出规模放大公式：

W/V = [(C₀ - C_e)(K_LC_e + 1)] / (K_LC_eq_m)

模拟计算表明，处理20 mg/L Pb(II)浓度废水时，去除80%污染物所需FGS用量详见附表ST6。

成本主导因素

该过程仅使用少量环境友好型试剂，操作成本极低。吸附剂制备成本低廉，处理每摩尔Pb(II)的总费用降低十倍以上，关键成本因素详见表4。

工业废水处理

采用 Kolkata 某电池厂废水（初始Pb(II)=2.13 mg/L）进行批次吸附实验（0.1 g FGS/100 mL，pH=5.0，150 rpm振荡120 min），Pb(II)浓度降至0.06 mg/L。处理后水质符合排放标准（见表5）。

吸附能力对比

与天然吸附剂相比，FGS对Pb(II)的Langmuir吸附容量（36.82 mg/g）表现优异，较未改性花生壳（3.53 mg/g）提升超过10倍（详见附表ST7）。

结论

黑曲霉介导的SSF技术成功将花生壳转化为高性能Pb(II)吸附剂。酶促反应（淀粉酶/漆酶）重塑表面化学特性与孔隙结构，吸附过程符合Langmuir模型和伪二级动力学，以液膜扩散为主控步骤。该绿色策略大幅降低成本，为农业废弃物资源化与重金属治理提供可持续路径。