全球对化石燃料需求的增长导致了能源短缺和环境退化，这促使人们开发和利用替代能源，如生物质[[1], [2], [3]]。火焰珍珠（Hypericum属的观赏灌木）在一些花卉生产区广泛种植。然而，其根茎在景观美化后通常被丢弃，留下了未充分利用的生物质残渣。尽管Hypericum的地上和地下部分含有丰富的生物活性化合物（如酚类和黄酮类），但其根茎作为生物质原料的研究却较少。
如果管理不当，丢弃的根茎残渣在生物降解过程中可能会释放溶解有机物（DOM），这些有机物会与镍离子（Ni(II)）结合，增加其迁移性并促进其进入水体[6,7]。同时，水生系统中的重金属污染仍然是一个严重的环境问题，镍离子（Ni(II)常见于电镀、电池生产、采矿、纺织加工等行业的工业排放中，存在持续的毒性风险[8]。
已经有多种技术（如离子交换、吸附、膜过滤和微生物燃料电池（MFCs）被用于去除废水中的镍离子（Ni(II)）。然而，离子交换受树脂成本高昂和再生费用大的限制[9]；基于膜的过程则受到污染、高运营成本以及对于螯合镍物种效果有限的制约[10]。尽管基于MFC的方法可以降低能耗，但其实施往往受到处理时间长、过程效率低和工程复杂性高的阻碍[11,12]。相比之下，吸附技术易于实施，并且在去除水中的镍离子方面表现出优异的效果。因此，已有许多吸附剂被报道用于去除镍离子（Ni(II)，相关文献比较见表S1。在限氧条件下热解制备的生物炭由于其原材料成本低且来源广泛，被认为是一种优秀的吸附剂[[13], [14], [15]]。
Hypericum的根茎含有丰富的木质素，预计能产生更高的炭产率并形成更复杂的芳香碳结构。研究表明，较高的木质素含量有助于热解过程中炭的形成，且在类似条件下，木质原料生成的生物炭比草本残渣具有更大的表面积[16,17]。此外，通过无机负载和物理改性等进一步处理可以增加表面积、优化孔结构并丰富含氧官能团，从而为镍离子（Ni(II)的固定提供更多结合位点[[18], [19], [20], [21]]。
同时，有研究表明锰（Mn）处理可以改善生物炭的性能并提高其吸附重金属的能力[22]。曾等人通过二氧化锰改性显著提高了生物炭的比表面积和孔隙率，经过多次再生试验后吸附效率仍保持在80%以上[23]；黄等人利用改性生物炭成功实现了重金属的氧化和吸附[24]。实验表明，锰氧化物显著改善了生物炭的物理化学性质，增加了功能团（包括羟基和羧基）、比表面积和孔结构[25]。李等人还发现，加入二氧化锰可以提高生物炭的物理吸附能力、机械强度和化学稳定性[25]。
尽管锰改性的好处已被证实，但关于将基于锰的生物炭应用于镍离子（Ni(II)废水处理的文献仍然零散，大部分研究仅限于对改性生物炭的静态批次测试[[26], [27], [28]]。实际处理效果不仅取决于平衡吸附容量，还受到传输限制和流体动力学（包括颗粒内扩散和流体运动）的影响。因此，需要一种统一的多尺度方法，将材料设计与批次实验和填充床实验相结合，利用基于物理的建模来研究和验证相互关联的流动和质量传递过程。基于这些考虑，本研究通过化学沉淀法制备了二氧化锰改性的Hypericum根茎生物炭，采用批次实验和填充床实验方法评估了其去除镍离子（Ni(II)的效果，并利用多物理场CFD模拟了流体动力学和质量传递过程，以验证实验吸附行为。
在本研究中，我们使用金丝桃根茎制备了二氧化锰改性的生物炭，并通过综合的批次-柱模拟方法评估了其去除镍离子（Ni(II)的效果。批次吸附实验评估了平衡热力学、动力学和吸附等温线特性，同时考察了锰改性生物炭在相关溶液条件下的稳定性。随后，固定床实验研究了进水浓度、pH值、床层高度和流速对动态吸附行为的影响。Thomas模型和Bohart-Adams模型被用来解释二氧化锰改性生物炭填充床的穿透行为。此外，还在COMSOL中开发了一个多物理场计算流体动力学（CFD）模型，使用了多孔介质流动和稀释物质传输模块。通过将这一数值框架与从批次等温线得到的吸附参数相结合，我们对实验结果进行了基于模拟的分析。这些发现为验证基于二氧化锰改性生物炭填充床系统去除含镍离子（Ni(II)废水的设计和操作提供了依据。
