低温碱改性木质素衍生物生物炭在增强Pb2+去除效果中的应用：结构调控及作用机理

《Biochemical Engineering Journal》：Low-temperature alkali-modified lignin-derived biochar for enhanced Pb2+ removal: Structural regulation and underlying mechanisms

　　

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  低温度（300°C）下的碱性活化显著提高了木质素衍生生物炭对Pb2?的吸附能力。
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  NaBC300和KBC300的Pb2?吸附能力分别为242.32 mg/g和144.37 mg/g。
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  温和温度下的碱性活化在保持含氧基团的同时，还形成了层状孔结构。
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  Pb2?的去除涉及孔隙填充、络合、沉淀和离子交换等协同作用。
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  这种方法为将木质素转化为重金属吸附剂提供了一种节能且经济可行的途径。

引言

含铅（Pb）的工业废水对全球水环境构成了严重威胁，主要原因是铅具有抗性、毒性，并且在食物网中容易累积[1]。未经充分处理的含铅废水排放会破坏生态系统稳定，对公众健康构成严重威胁。人体很难排出铅，其长期生物累积会导致不可逆的认知和发育障碍，尤其是对处于早期发育阶段的儿童[2][3]。因此，开发高效且经济可行的水溶液中Pb2?修复技术至关重要。

telah有多种技术被用于去除水中的Pb2?，包括化学沉淀、离子交换、膜过滤和吸附[4]。其中，吸附技术因操作简单、成本低廉且去除效率高而备受青睐[5]。生物炭是一种富含碳的材料，通过限氧条件下生物质的热解生成，由于其原料丰富、生产简便以及表面性质可调节，成为了一种有前途的吸附剂[6]。木质素是纸浆和造纸工业以及糖类生物炼制厂的副产品，但其95%以上目前被焚烧或处理掉，主要是由于其高度缩合的结构，难以有效降解和升级[7][8]。这种做法不仅浪费了宝贵的生物资源，还给环境带来了沉重负担[9]。为解决这一问题，将废弃木质素转化为功能化生物炭成为了一种实用策略，既能实现高价值资源回收，又能可持续地修复受重金属污染的水体[9]。

尽管生物炭具有诸多优点，但由于其物理化学性质的限制（如比表面积小、孔隙度不足以及活性表面基团缺乏[10]，其Pb2?吸附能力有限。为克服这些限制，研究人员研究了多种改性方法，包括酸处理、碱处理、金属氧化物负载和蒸汽活化[11][12]。其中，使用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）的碱性活化常用于开发微孔结构并引入羟基（-OH）[13][14]。然而，目前的改性策略主要集中在通过高温碱性活化（通常超过700°C）来最大化比表面积和优化孔结构[4][15][16][17]。例如，Wei等人证明，在900°C下用K?CO?活化磺化木质素基生物炭可形成蜂窝状结构，比表面积大（2107.6 m2/g），总孔体积高（1.1591 cm3/g），从而表现出优异的孔雀石绿吸附性能[18]。虽然高温活化能改善材料性能，但高温会分解木质素表面丰富的含氧基团，严重影响Pb2?的吸附能力。此外，这种方法由于成本高和能源需求大（标准活性炭制造需97 MJ/kg的能量）而与可持续发展原则相悖[5]。

由于木质素本身含有大量功能性基团，且在低温热解过程中碱性活化剂可以同时生成孔隙和表面基团。本研究采用低温热解策略来调控木质素基生物炭的结构。通过低温热解与KOH/NaOH联合活化，创新制备了具有优异性能的生物炭。本研究的主要目标是：(1) 通过低温热解结合碱性活化制备富含表面基团和良好孔结构的木质素基生物炭；(2) 评估改性生物炭的Pb2?吸附性能；(3) 揭示其吸附机制。

章节摘要

材料

玉米秸秆木质素来自中国临沂的Linyi Foresyn Biomaterials有限公司。氢氧化钾（KOH，AR级，≥85%）、氢氧化钠（NaOH，AR级，≥96%）、盐酸（HCl，AR级，36%–38%）和硝酸铅（Pb(NO?)?，AR级，≥99%）由中国广州的广州化学试剂有限公司提供。

活化生物炭的制备

将研磨后的前驱体与碱性活化剂在烧杯中混合，然后加入去离子水，使前驱体：活化剂：水的最终质量比为1:2:4。

生物炭的吸附特性

为了开发一种成本低廉且高效的改性生物炭吸附剂，本研究系统评估了不同类型的碱（KOH和NaOH）以及热解温度（300–700°C）对木质素基生物炭Pb2?吸附性能的影响，重点关注低温热解（300°C）条件。如图2所示，热解温度对生物炭吸附能力的影响因碱改性剂的不同而显著变化。

结论

受传统高温活化过程中能量消耗大和功能性基团损失的启发，本研究通过低温热解和KOH/NaOH的协同作用成功制备了低温度改性的木质素基生物炭（NaBC300和KBC300）。表征结果显示，低温碱性改性不仅保留并增强了活性基团，还提高了比表面积。

作者贡献声明

李翔： 数据整理。 倪冰冰： 数据整理。 裴晓宇： 实验研究。 范美山： 写作、审稿与编辑、经费获取。 谢俊： 形式分析。 邓旭阳： 初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42407293）、国家重点研发计划（2021YFC2101601）以及“万名学生乡村调查行动”联合项目（DDYGJ2026007）的资助。