铁硫化物修饰苎麻纤维衍生生物炭对水体中六价铬的高效去除：吸附、还原与共沉淀的协同机制

《Journal of Water Process Engineering》：Iron sulfide decorated ramie fiber-derived biochar for efficient Cr(VI) removal from water: Synergistic mechanisms of adsorption, reduction, and co-precipitation

　　

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  制备了硫化铁装饰苎麻纤维基生物炭用于去除水中的Cr(VI)。
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  吸附、还原和共沉淀是Cr(VI)去除的主要机制。
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  FeS/RBC在各种水基质中表现出良好的处理性能。

引言

铬（Cr）是一种在环境中广泛分布的元素，主要以三价（Cr(III)）和六价（Cr(VI)）两种形态存在，二者对生态系统及人体健康的影响截然不同[1]、[2]、[3]、[4]。Cr(III)毒性相对较低，是生物代谢所需的微量营养元素。相比之下，Cr(VI)因其极强的迁移性、高度的生物组织穿透性、致癌性和致突变性，对环境和人体健康的威胁更为显著[4]、[5]。Cr(VI)主要来源于电镀、皮革鞣制、纺织印染和金属加工等关键工业部门[6]。鉴于其极高的风险，许多国家和地区制定了极为严格的排放限值。例如，中国的《综合污水排放标准》（GB 8978–1996）将地表水和废水中Cr(VI)的最高允许浓度规定为低至0.05 mg/L。同样，美国环境保护署（USEPA）等法规对水中总铬的最大污染物浓度规定约为0.1 mg/L[7]。这些严格的要求凸显了从水系统中深度去除Cr(VI)的重要性，并对现有处理技术提出了巨大挑战。

迄今为止，已采用多种处理工艺处理含Cr(VI)废水，包括化学还原-沉淀[8]、[9]、[10]、膜分离[11]和吸附[12]、[13]、[14]。其中，吸附因其高效、经济和操作简便而被视为一种有前景的策略，其核心在于开发高性能吸附剂[12]、[15]。生物炭因其原材料来源广泛、比表面积大、表面官能团丰富和环境友好等优点而备受关注[16]、[17]、[18]。利用农业或工业废弃物制备生物炭也符合"以废治废"的绿色可持续理念。

苎麻纤维是纺织工业产生的典型固体废物，因其纤维素含量高（>65%）[19]、[20]，是制备生物炭的优良前驱体。例如，Geng和Cai通过表面改性策略（如碳纳米管、硅烷偶联剂和碱处理）显著提高了苎麻纤维/可降解环氧复合材料界面的耐湿性和热稳定性，展示了苎麻纤维在功能复合材料中的潜力。Du等人采用一步法ZnCl?活化，利用苎麻纤维制备了具有中空结构的活性炭纤维。所得材料具有高比表面积和优异的电导率，在超级电容器电极中表现出出色的电化学性能（最大比电容达287 F/g）。同时，废旧纺织基生物炭的孔隙结构表明其在污染物吸附方面具有潜力[21]。例如，基于Langmuir等温线，苎麻生物炭对Cr(VI)的去除容量高达82.23 mg/g[22]。另一项研究表明，Cd可有效吸附于苎麻生物炭上，兼具化学吸附和物理吸附双重功能[23]。这些研究表明，苎麻纤维不仅是传统的纺织原料，也是一种具有高附加值转化潜力的工业生物质前驱体。

尽管具有上述优势，纯碳质材料仍存在若干固有局限性[16]、[24]。虽然RBC具有一定程度的孔隙率，但其表面活性位点（如含氧官能团）的还原能力有限，有必要进一步改善其对Cr(VI)的循环稳定性和适用性[22]、[25]、[26]。近年来，将硫化铁化合物（FeS_x）负载于三维多孔载体上已被证明是提高Cr(VI)还原效率的有效策略[27]、[28]、[29]。与零价铁（Fe⁰）或铁氧化物相比，FeS不仅提供Fe(II)作为电子供体，还含有强还原性的S(-II)物种[30]、[31]、[32]。这种双重还原中心使FeS在单位反应活性中心可转移更多电子，从而赋予其更高的理论还原容量和更快的反应动力学[33]、[34]、[35]。在我们之前的研究中，将FeS_x均匀负载于三聚氰胺泡沫上制备的复合材料（FeS_x/MS）表现出显著增强的Cr(VI)去除动力学（反应速率常数为0.1011 min^?1，为纯FeS?的37倍）和优异的循环稳定性（17次快速流通实验后去除率仍达98.6%）[36]。该研究揭示了泡沫载体的孔隙结构不仅有效分散了FeS_x纳米颗粒并防止其团聚，还通过聚多巴胺（PDA）改性层增强了电子转移效率，从而实现高效的协同吸附-还原去除。尽管基于泡沫的FeS_x在快速还原方面表现优异，但在长期有效性和稳定性方面仍存在局限。与之前基于合成泡沫载体的研究相比，苎麻纤维基生物炭提供了一种可持续且成本效益高的平台，可能提供更优越的分级孔隙结构。我们假设，将FeS负载于RBC上可进一步提升整体铬去除效率，并提高材料的资源价值。迄今为止，FeS负载苎麻纤维生物炭（FeS/RBC）在Cr(VI)去除中的应用尚未见报道，其潜在的反应机理有待进一步研究。

本文采用原位热解策略，以废苎麻纤维为前驱体制备了FeS/RBC。本研究旨在：(1)探究该复合材料去除Cr(VI)的可行性；(2)阐明Cr(VI)还原和吸附的潜在机理；(3)评估其在真实水环境中的应用潜力。本研究致力于开发一种高效、稳定且可再生的Cr(VI)净化修复材料，为实际废水处理提供技术支持。

章节片段

化学试剂

硫酸亚铁（FeSO?）、硫化钠（Na?S）、重铬酸钾（K?Cr?O?）、硫酸（H?SO?）、磷酸（H?PO?）、丙酮、二苯碳酰二肼、氢氧化钠（NaOH）、稀盐酸（HCl）、氯化钠（NaCl）、硫酸钠（Na?SO?）、硝酸钠（NaNO?）、磷酸钠（Na?PO?）、硫酸钙（CaSO?）、硫酸镁（MgSO?）和腐殖酸均购自国药集团化学试剂有限公司（中国上海）。所有试剂均为分析纯。

材料表征

如图1a所示，纯生物炭（BC）表面相对光滑，呈现不规则的多孔层状和褶皱结构。这些形貌特征归因于苎麻纤维热解过程中挥发分的释放和碳骨架的重构。FeS负载后，原有的不规则多孔层状和褶皱结构消失，纳米颗粒大量锚定于孔隙结构之上（图1b）。

结论

制备了一种硫化铁-生物炭复合材料（FeS/RBC），用于从水基质中还原固定Cr(VI)。在优化条件下（pH 3.0），该材料对初始Cr(VI)浓度为10 mg/L的去除率达到98.4%，实现了去除性能的显著提升。对多种水基质组分的抗干扰能力验证了该材料在环境修复中的广泛应用前景和普适性。Fe(II)和

作者贡献声明

邵程瑞：初稿撰写、调查研究。龚路遥：调查研究、形式分析。孔梁霞：验证、调查研究。崔博言：形式分析、数据整理。徐立丰：方法论。邓旭：方法论。邓宇威：可视化、数据整理。李强：指导。万军：指导。叶雨璇：审校与编辑、指导、经费获取、概念构思。潘飞：审校与编辑、资源、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由武汉市自然科学基金（编号：2024040801020316）、湖北省教育厅人文社科研究项目（编号：23Z412）、湖北省教育厅科研计划项目（编号：Q20241601）、湖北省矿区环境污染控制与修复重点实验室开放基金（湖北工业大学）（基金编号：2025KQHJ006）、国家重点实验室新材料

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