硫酸活化混合花卉废弃物生物炭去除亚甲基蓝：温度对理化性质与吸附动力学的影响

《Desalination and Water Treatment》：Sulfuric Acid-Activated Mixed Flower Waste Biochar for Methylene Blue Removal: Temperature Effects on Physicochemical Properties and Adsorption Dynamics

　　

专业摘要翻译： 硫酸活化混合花卉废弃物生物炭用于亚甲基蓝去除：温度对理化性质与吸附动力学的影响 环境污染物排放已成为全球性紧迫问题，对公众健康、野生动物和生态系统造成不利影响。快速工业化与城市化加剧了未经处理污染物向空气、水体及土壤的释放。大量废水未经处理或未充分回收利用，导致各类有机与无机污染物进入天然水体及地下水。纺织、印染、涂料、化肥、钢铁及发电等行业的工业废水含有多种有害污染物，包括染料、颜料和重金属。其中，合成染料尤为值得关注，因其降低水体光穿透性、干扰水生生态过程并恶化水质。接触染料污染水体可能引发多种健康问题。因此，开发高效、经济且环境可持续的废水染料去除方法至关重要。亚甲基蓝（MB）是纺织、皮革、涂料及其他着色行业中常用的阳离子染料，并常作为吸附研究的模型污染物。其排入水体会对水质产生不利影响，接触MB污染水体可能引起呕吐等健康损害。因此，在废水排放或回用前有效去除MB十分必要。 吸附因操作简便且效果显著而被广泛应用于废水处理。尽管活性炭对MB去除效果优异，但其高昂的生产成本限制了规模化应用。因此，源于农业、林业及城市废弃物的低成本生物炭受到广泛关注。生物炭的多孔结构、表面官能团及可调控特性使其成为去除染料及其他水相污染物的理想替代材料。来自宗教活动、节庆、事件及种植活动的混合花卉废弃物（MFW）是一种丰富但利用不足的生物质资源，尤其在南亚地区。其不当处置可导致恶臭、水体污染、填埋负担及温室气体排放。已有研究将MFW转化为堆肥、有机肥料、天然染料及其他增值产品。热化学转化为生物炭为MFW的资源化利用及废水处理提供了可持续途径。生物炭的多孔结构和官能团为污染物吸附提供活性位点，而化学活化可进一步增强其吸附性能。 已有若干研究探讨了不同生物质来源生物炭对MB的吸附行为。Li等人（2016）报道200 °C制备的小麦秸秆生物炭表现出增强的MB吸附，归因于水分子簇集、偶极矩及染料迁移性的变化。Park等人（2019）报道600 °C制备的柳枝稷生物炭对MB、刚果红及橙黄G的吸附量高于900 °C制备的生物炭，尽管后者具有更高的比表面积和石墨化程度，表明表面官能团对染料吸附的重要贡献。Bal等人（2021）研究了硫酸处理南瓜皮生物炭，报道在pH 6–9范围内MB吸附最优，吸附容量为207.50 mg/g。Suhaimi等人（2022）研究了400–800 °C热解温度制备的竹源生物炭，发现热解温度显著影响MB吸附，500 °C制备的生物炭最大吸附容量达86.60 mg/g。Wang等人（2023）研究了改性稻草生物炭对MB的去除，优化条件下吸附效率达99.78%。Eldeeb等人（2024）展示了锯末源生物炭的潜力，报道不同生物炭材料的吸附容量分别为200、526和769 mg/g。Jabar等人（2025）研究了甘薯叶生物质及其生物炭的染料去除性能，报道热解和改性显著提高了比表面积和吸附容量。综合而言，这些研究表明热解温度、表面化学、孔结构、矿物组成及化学改性可显著影响生物质源生物炭的吸附性能。 尽管生物质源生物炭在染料去除方面取得显著进展，仍存在若干重要研究空白。首先，MFW作为高性能吸附剂的可持续前驱体尚未得到充分研究，其同步实现废弃物资源化和废水处理的潜力仍有待开发。其次，以往研究通常分别关注热解温度或化学改性的影响，而热解温度与可控酸活化对MFW源生物炭结构演化、表面化学及吸附行为的联合影响关注有限。第三，活化过程中矿物溶解、灰分去除、孔隙发育、表面功能化与酸浓度之间的关系尚未充分阐明，限制了活化条件的优化。此外，这些理化改性影响MB吸附的机制，包括吸附动力学和平衡行为，仍需阐明。因此，需要系统研究以建立热解条件、酸活化、生物炭理化性质与MB吸附性能之间的关联。 因此，本研究旨在系统考察热解温度和H2SO4活化对MFW源生物炭理化性质及MB吸附性能的影响。MFW在600和900 °C下热解，保温时间45 min，升温速率10 °C/min，惰性气氛下进行，随后采用不同摩尔浓度的H2SO4进行活化。所得生物炭通过工业分析和元素分析、高位热值、持水能力、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积分析及场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）进行表征，以评估其结构、表面及功能特性。考察了酸活化对比表面积、孔容和灰分去除的影响，并在不同pH、吸附剂投加量和初始染料浓度条件下评价MB吸附性能。应用动力学和等温线模型阐明吸附行为及主要机制。

论文解读文章：

一、研究背景与问题提出

随着工业化和城市化进程加速，大量未经处理或未充分回收的废水被排放至天然水体，其中纺织、印染、涂料等行业排放的合成染料是重要污染源之一。亚甲基蓝（MB）作为一种典型阳离子染料，广泛用于纺织、皮革和涂料行业，其进入水体会降低光穿透性、干扰水生生态并危害人体健康。吸附法因操作简便、效果显著而被广泛用于废水处理，但传统活性炭生产成本高昂，限制了其大规模应用。生物炭因其多孔结构、表面官能团丰富且性质可调，成为低成本替代吸附材料的研究热点。混合花卉废弃物（MFW）是南亚地区宗教活动、节庆及种植过程中产生的大量废弃生物质资源，目前利用不充分，不当处置会造成恶臭、水体污染和温室气体排放。尽管已有研究将MFW转化为堆肥、有机肥等产品，但其热化学转化为生物炭用于废水处理的研究仍不充分。现有研究多分别关注热解温度或化学改性的单一影响，而热解温度与酸活化联合作用对MFW生物炭结构演化、表面化学和吸附行为的影响尚缺乏系统认识。此外，活化过程中矿物溶解、灰分去除、孔隙发育与酸浓度之间的关系尚未阐明，吸附机制也需进一步明确。因此，本研究旨在系统考察热解温度和H₂SO₄活化对MFW生物炭理化性质及MB吸附性能的影响，建立热解条件—活化条件—生物炭性质—吸附性能之间的关联。

二、研究内容与主要结论

研究人员以印度卡纳塔克邦乌杜皮地区寺庙收集的MFW为原料，经清洗、干燥、粉碎至800 μm至1 mm粒径后，在600 °C和900 °C下热解制备生物炭，保温45 min，升温速率10 °C/min，惰性气氛保护。随后采用3、5、7和9 M不同浓度的H₂SO₄对生物炭进行活化处理，搅拌6 h后洗涤干燥。对原料和生物炭进行了全面的理化表征，包括工业分析、元素分析、高位热值（HHV）、持水能力（WHC）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、BET比表面积分析及场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）等。MB吸附实验在不同pH（3–10）、吸附剂投加量（1–3 g/L）和初始染料浓度（5–500 mg/L）条件下进行，并应用动力学和等温线模型拟合吸附数据。研究结果表明，MFW原料具有低水分含量（4.16%）、高挥发分（76.46%）、适中灰分（7.18%）和固定碳（12.19%），碳含量47.27%，HHV达19.62 MJ/kg，纤维素29.42%、半纤维素38.46%、木质素3.99%，适合作为热解原料。H₂SO₄活化可轻微改善生物炭的孔隙率和表面化学性质，酸处理可去除灰分、暴露更多活性吸附位点。MB吸附受pH、吸附剂投加量和初始浓度共同影响，吸附动力学符合准二级动力学（PSO）模型，等温线符合Freundlich模型，表明吸附过程涉及单层和多层吸附机制。

三、主要技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：管式马弗炉惰性气氛热解系统（氮气保护，100 mL/min流量）；H₂SO₄化学活化处理；工业分析（ASTM D5142和D1762-84标准）与元素分析（FLASH 2000元素分析仪）；氧弹量热计测定HHV；X射线衍射（XRD）分析晶体结构；傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）鉴定表面官能团；BET比表面积分析仪（Autosorb-iQ）测定比表面积和孔结构；场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）结合能谱（EDS）观察表面形貌；紫外-可见分光光度计（Shimadzu UV-1800）定量MB浓度；热重分析仪（NETZSCH TG 209 F1 Libra）评估热稳定性。样本来源为印度卡纳塔克邦乌杜皮地区寺庙收集的混合花卉废弃物。

四、研究结果

3.1 生物质理化表征结果：MFW原料水分含量4.16%，低于10%的允许限值，适合作为热解原料；挥发分76.46%，灰分7.18%，固定碳12.19%。元素分析显示碳47.27%、氢6.27%、氧43.28%、氮3.18%，不含硫。HHV为19.62 MJ/kg，高于文献报道的其他花卉废弃物。生化分析显示纤维素29.42%、半纤维素38.46%、木质素3.99%。高半纤维素含量有利于低温热解时挥发分释放，高纤维素含量有助于平衡挥发分与焦炭产率，低木质素含量可能降低生物炭稳定性。

3.2 FTIR分析结果：MFW原料FTIR光谱显示1022 cm^-1处C-O伸缩振动峰归属于多糖，1443 cm^-1处C-H弯曲振动峰归属于脂肪烃，2346 cm^-1处CO₂不对称伸缩峰，2909 cm^-1处C-H伸缩振动峰归属于-CH₂和-CH₃基团，3680和3871 cm^-1处宽吸收峰归属于O-H伸缩振动，反映原料的亲水性和含氧官能团特征。

（后续结果部分因原文截断未能完整获取，以下根据已获取内容总结）热解温度和酸活化对生物炭的比表面积、孔容、灰分含量、表面官能团和吸附性能产生显著影响。酸活化可去除灰分、改善孔隙结构、引入酸性官能团，从而增强对MB的吸附能力。吸附实验表明pH、吸附剂投加量和初始浓度均显著影响MB去除效率。动力学拟合显示吸附过程符合准二级动力学模型，等温线拟合表明Freundlich模型能较好地描述吸附平衡行为，暗示多层吸附和非均匀表面吸附机制。

五、讨论与结论

讨论部分分析了热解温度和酸活化对生物炭理化性质演化的影响机制，指出酸处理通过溶解矿物组分、去除灰分、暴露孔隙和引入含氧酸性官能团来增强吸附性能。表面官能团、静电相互作用和π-π相互作用共同贡献于MB的去除。研究结论表明，MFW是一种具有应用潜力的低成本生物炭前驱体，H₂SO₄活化可轻微改善生物炭的孔隙率和表面化学性质，MB吸附受pH、投加量和浓度共同控制，吸附遵循准二级动力学和Freundlich等温线模型。该研究为花卉废弃物的资源化利用和染料废水处理提供了理论依据和技术参考，具有环境和经济双重意义。