基于稻壳源高纯度纳米SiO2的铅污染水体高效吸附机制与产业化应用研究

《Separation and Purification Technology》：Effective pb(II)-polluted water treatment using the high-purity nano-SiO 2 Derived from rice husks by an innovative industrial combustion technique

本研究针对工业废水中铅（Pb(II)）污染治理难题，创新性地利用循环流化床技术制备高纯度稻壳纳米二氧化硅（RH-SiO2），系统探究其对Pb(II)的吸附性能与机制。结果表明，RH-SiO2在pH=5、投加量1 g·L?1条件下最大吸附容量达78.14 mg·g?1，吸附过程符合Langmuir模型和准二级动力学模型，且经6次再生后仍保持83.79%的吸附效率。研究通过分子动力学模拟与表征技术揭示了以离子交换和表面络合为主导的多机制协同除铅路径，为废弃生物质资源化及重金属废水治理提供了低成本、高效的技术方案。

　　

随着采矿、冶炼、电池制造等重工业的快速发展，大量含铅废水被排放到自然水体中。铅（Pb）作为一种具有强生物累积性和毒性的重金属，可通过食物链进入人体，损害神经系统、肾脏和造血功能，即使低浓度暴露也可能导致儿童智力发育迟缓。美国环境保护署（EPA）和欧盟（EU）对工业废水中铅的浓度限值分别严格规定为0.15 mg·L^?1和0.1%。传统处理铅污染的方法包括离子交换、膜过滤、电解和共沉淀等，但这些技术普遍存在能耗高、操作复杂或易产生二次污染等问题。吸附法因具有操作简便、成本较低、效率高等优势，逐渐成为研究热点。然而，商用吸附剂如活性炭、金属有机框架（MOFs）等价格昂贵，限制了其大规模应用。

与此同时，全球每年产生约1.2亿吨稻壳，若直接焚烧或填埋，不仅浪费资源，还会造成环境污染。稻壳中含有高达20%的二氧化硅（SiO₂），其灰分中SiO₂纯度可达90%以上，是一种理想的硅源。但以往研究多集中于实验室尺度制备改性复合材料，对高纯度、工业化生产的稻壳二氧化硅（RH-SiO₂）直接用于水体修复的潜力尚未充分挖掘。

在此背景下，张月芝等研究人员在《Separation and Purification Technology》上发表论文，首次系统评估了利用循环流化床工艺规模化生产的稻壳纳米二氧化硅对Pb(II)的吸附性能与机制。研究通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、比表面积分析（BET）等技术表征材料性质，结合批式吸附实验、分子动力学（MD）模拟、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等手段，揭示了RH-SiO₂的吸附动力学、热力学特征及分子水平作用机制。

关键方法概述

研究采用工业级循环流化床在700–900°C下燃烧酸洗预处理后的稻壳，制备高纯度纳米SiO₂；通过批式吸附实验考察pH、吸附剂投加量、初始Pb(II)浓度和温度对吸附效果的影响；利用Langmuir、Freundlich等模型拟合吸附等温线，并通过伪二级动力学模型分析吸附过程；采用XPS、FT-IR等技术表征吸附前后材料表面化学变化；结合分子动力学模拟揭示Pb(II)在SiO₂表面的迁移路径与相互作用能。

研究结果

3.1 RH-SiO₂的材料表征

SEM显示RH-SiO₂保留了稻壳的生物模板结构，形成三维互联多孔网络，其比表面积达57.66 m²·g^?1，平均孔径为8.67 nm，有利于Pb(II)的扩散与吸附。XRD谱图中在2θ=22°附近出现宽泛衍射峰，表明材料主要为非晶态结构，同时含有少量方石英和石英结晶相。XRF分析证实SiO₂纯度高达94.328%，其余为CaO、MgO等微量金属氧化物。

3.2 Pb(II)吸附性能分析

在pH=5、吸附剂投加量1 g·L^?1时，RH-SiO₂对Pb(II)的吸附容量最高（78.14 mg·g^?1），去除率达65.96%。zeta电位测试表明，当pH>2.44（等电点）时，材料表面带负电，通过静电作用增强对Pb²⁺的吸引。吸附过程在180分钟内达到平衡，伪二级动力学模型（R²=0.9761）优于伪一级模型，说明化学吸附主导反应进程。吸附等温线符合Langmuir模型（R²=0.9842），表明Pb(II)在RH-SiO₂表面为单分子层吸附。热力学参数ΔG⁰为负值（–26.20至–26.08 kJ·mol^?1），ΔH⁰为–27.44 kJ·mol^?1，证明吸附为自发、放热过程。

3.3 吸附机制阐释

FT-IR和XPS谱图显示，吸附后Si–O–Si键振动峰发生偏移，并在O 1s谱图中出现Pb–O键特征峰（530.18 eV），证实Pb(II)与表面硅羟基（Si–OH）发生离子交换（≡Si–OH + Pb²⁺→ ≡Si–O–Pb⁺+ H⁺）和络合反应。分子动力学模拟进一步揭示，Pb(II)主要分布于SiO₂低密度区域，其与氧原子的径向分布函数（RDF）在0.45 nm处出现强峰，表明Pb–O间存在显著静电相互作用。此外，在碱性条件下（pH>6），Pb(II)可通过沉淀生成Pb(OH)₂和PbSiO₃纳米晶须，SEM图像中可见长度50–100 nm的片状沉淀覆盖于材料表面。

3.4 再生性能评估

以0.2 mol·L^?1Na₂EDTA为脱附剂，RH-SiO₂经6次吸附-脱附循环后，仍保持83.79%的初始吸附容量，证明其具有良好的可重复使用性。

结论与意义

本研究首次将工业化生产的稻壳源纳米SiO₂直接用于Pb(II)污染水体的高效修复，突破了传统吸附剂成本高、制备复杂的局限。通过多尺度表征与模拟，明确了非晶态SiO₂通过离子交换、表面络合、静电作用和沉淀反应协同除铅的分子机制。RH-SiO₂不仅具备吸附容量高、再生性强的优势，更实现了农业废弃物的资源化利用，为绿色水处理技术提供了理论依据和工程化范例。未来研究可进一步探讨其在复杂实际废水体系中的竞争吸附行为及长期化学稳定性，推动其在实际环境中的应用。