生物炭基磁性吸附剂的开发用于增强Pb(II)离子去除

《Scientific Reports》：Development of biochar-based magnetic adsorbent for enhanced Pb(II) ions removal

　　

废水中Pb(II)污染是威胁环境与人类健康的关键问题。研究人员采用水热法将铁氧体纳米颗粒NCCF（Ni0.6Co0.1Cu0.3Fe2O4）以0.2 g与0.5 g两种比例负载于生物炭（BC）上制备复合材料。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、比表面积测试（BET）及振动样品磁强计（VSM）表征其结构、表面与磁性。XRD确认单一相尖晶石形成，生物炭对铁氧体晶构影响可忽略，但降低晶格应变并促进结构有序化，主要通过缺陷形成而非结构修饰。FT-IR表明立方尖晶石型已高效沉积于生物炭表面。BET显示低生物炭负载下铁氧体比表面积与孔容增大。VSM揭示生物炭掺入降低饱和磁化强度而保持适中矫顽力。所制样品用作Pb(II)离子吸附剂，pH研究表明生物炭加入提升酸性条件下吸附效率。吸附符合准二级动力学，暗示表面官能团络合的化学吸附机制；Freundlich模型最优，表明异质吸附位点。生物炭掺入显著提升吸附容量，NCCF/BC-0.2最大达398.4 mg g-1，远高于裸NCCF与BC。复合材料具良好再生能力，且在竞争金属离子存在下保持高Pb(II)去除率。

研究背景与立项依据

重金属Pb(II)因不可降解与生物累积性成为水体污染核心问题，长期低剂量暴露可损伤儿童神经发育并增加成人心血管风险。传统化学沉淀、电化学、生物处理等方法存在操作复杂、成本高及二次污染等缺陷；吸附法因经济、易操作、高效受关注。生物炭（BC，缺氧热解生物质所得多孔碳质材料）具高比表面与含氧官能团，尖晶石铁氧体（通式M²⁺Fe₂³⁺O₄）具磁分离性与pH响应表面电荷，二者复合可兼顾吸附容量与磁回收优势。已有研究多聚焦单金属铁氧体-生物炭，对Ni-Co-Cu三元掺杂铁氧体与生物炭协同机制及酸性条件适配性研究不足，故研究人员开展此项工作。

论文发表于《Scientific Reports》，旨在构建Ni_0.6Co_0.1Cu_0.3Fe₂O₄/BC磁性复合材料，系统解析结构-磁性-吸附性能关联，评估其实际废水修复潜力。

主要关键技术方法

研究人员以玉米芯废弃物为生物质源，500 ℃限氧热解制生物炭；采用水热法（180 ℃、20 h、pH 13）合成Ni_0.6Co_0.1Cu_0.3Fe₂O₄（NCCF）及0.2 g/0.5 g生物炭复合样。表征端使用XRD（CuKα）判相与Size-Strain Plot（SSP）析晶畴尺寸应变，FT-IR辨金属-氧键与官能团，BET（77 K N₂吸附）测孔隙，VSM（300 K）测磁滞。吸附实验取0.05 g吸附剂对25 mL Pb(II)溶液（30–200 ppm，pH预调，±0.3波动），100 rpm震荡，原子吸收测残量；动力学拟合伪一级/二级与粒内扩散，等温线拟合Langmuir/Freundlich/Temkin线性与非线性，再生用1% HNO₃洗脱四循环，竞争离子设Pb-Co-Cd等摩尔混合。

研究结果

结构表征（Structural characterization）

XRD与SSP分析：所有样品属Fd-3m立方尖晶石单相，生物炭引入不引相变；晶畴尺寸19.05–27.32 nm，随BC 0.5 g加载晶畴略增、晶格应变降至5.9–7.6×10^-3，位错密度微变，说明生物炭经缺陷工程缓解内应力而非改构。Williamson-Hall线性差，SSP因低角权重高更可信。

FT-IR：600 cm^-1与450 cm^-1归属四面/八面体M-O伸缩，3440 cm^-1宽峰为O-H，1630 cm^-1芳环C=C，1380/1050 cm^-1为C-H与C-O，证实NCCF与BC成功复合且含氧官能团保留。

表面表征（Surface characterizations）

BET：NCCF为20.67 m² g^-1介孔；NCCF/BC-0.2升至29.28 m² g^-1、孔容0.33 cm³ g^-1，外表面18.68 m² g^-1、微孔容0.0725 cm³ g^-1，因BC抑铁氧体团聚；BC-0.5反降至17.89 m² g^-1，系过量BC使铁氧化物堵孔。

磁性性质（Magnetic properties）

VSM（300 K）：纯NCCF的M_s=46.15 emu g^-1、M_r=8.94 emu g^-1、H_c=131.14 Oe；BC-0.2降至33.48/6.63/123.34，BC-0.5为23.02/4.55/117.41。非磁BC稀释磁相与弱超交换致M_s降，碳基质隔断粒子间作用致H_c略降，剩磁比恒约0.19–0.20，复合体仍具磁选分离所需响应。

Pb(II)吸附应用（Application for Pb(II) removal）

pH效应：NCCF零电荷点pHPZC≈5.2，BC约2–3；pH>5去除率升，pH 4时BC自持性能优而NCCF/BC-0.2降幅受控，证明BC提升酸性区适配性。

动力学：10 min内BC复合样近平衡（裸NCCF需30 min），伪二级R²最近1、q_e,cal近实验值，证表面官能团络合化学吸附；粒内扩散双线性，BC样表面与孔扩散截距相当，孔扩散不再单纯限速。

等温线：线性拟合Freundlich最优（异质位点），非线性中NCCF/BC-0.2归Langmuir更优，q_m达388.28 mg g^-1（非线性）与398.4 mg g^-1（文述极值），BC-0.5为217.49 mg g^-1，裸NCCF无饱和平台；容量较裸BC（20–200 mg g^-1文献值）与商业活性炭（150–250 mg g^-1）显著跃升。

再生与干扰：1% HNO₃洗脱四循环后BC-0.2第三轮后仍高持效，ICP证实Fe/Ni/Co/Cu无溶出；Pb-Co-Cd三元混合中Pb(II)去除率仅微降，抗竞争离子性强。

讨论与结论翻译浓缩

研究人员在讨论中指出，生物炭通过缺陷形成降应变、抑团聚扩孔（至0.2 g最优）、供氧官能团与π电子促络合，三者协同使NCCF/BC-0.2在pH 6、低投加量1 g L^-1下实现近商用炭两倍容量。磁性虽被稀释但未失磁选可行性，再生稳定性与抗干扰性满足实际废水场景。

结论部分译文：研究人员经水热法将NCCF成功载于不同量BC。结构表征确证单相尖晶石及BC不改性仅经缺陷调应变；BET示BC-0.2具最高比表面与介孔性，BC-0.5因堵孔劣化；磁测量示BC降M_s而保适中H_c。吸附研究表明BC改善酸性效率，伪二级动力学指化学吸附，线性Freundlich主导（非线性BC-0.2归Langmuir），NCCF/BC-0.2最大容量388.28–398.4 mg g^-1，远优于裸样；复合材具良再生与竞争离子耐受性。该磁性生物炭/铁氧体纳米复合材料，尤NCCF/BC-0.2，是废水处理的高效磁生物吸附剂候选。

（全文约1520汉字）