基于可持续铁基生物炭的Se(IV)去除：柱吸附性能、动力学建模与DFT分析

《Environmental Technology & Innovation》：Column adsorption performance, kinetic modelling and DFT analysis of Se (IV) removal using sustainable Fe based biochar

　　

本研究聚焦于利用甘蔗渣与赤泥合成可持续铁基生物炭，并在固定床柱系统中考察其对Se(IV)的去除效能。固定床柱的吸附性能在床层高度1、3、5 cm，流速1、2、3 ml/min以及初始浓度1、5 mg/l条件下进行考察。实验穿透曲线采用Thomas、Adams-Bohart与Yoon-Nelson三种动力学模型拟合，模型描述了穿透行为，在优化参数下预测最大吸附容量(qo)为3.98 mg/g，床层饱和浓度(No)为623.7 mg/l，50%穿透时间(τ)为990 min。为深入理解吸附机理，研究人员对水相Se(IV)物种进行了密度泛函理论(DFT)分析。结果表明生物炭与Se(IV)形态即SeO32-与HSeO3-形成稳定络合物，吸附能分别为-29.56 kcal/mol与-21.05 kcal/mol。SeO32-的吸附在热力学上比HSeO3-更有利，表明生物炭对Se(IV)物种具有更强亲和性。实验与理论结合的结果证明铁基生物炭是去除Se(IV)的一种有前景的吸附剂，并为农业与工业残渣在水处理应用中的高值化利用提供了可持续路径。

研究背景方面，硒(Se)作为必需微量营养素，过量摄入会引发硒中毒，而水体中硒污染主要来自采矿、燃煤、石油精炼、玻璃制造及集约化农业等人为活动，其中Se(IV)（亚硒酸盐）因生物富集潜力高而被认为毒性大于Se(VI)。现有硒去除技术如离心、化学沉淀、混凝、反渗透、电化学法及高级氧化等受操作与经济性限制难以大规模推广，吸附法虽经济但原始生物炭对硒氧阴离子亲和性低，需改性提升。铁基材料对硒氧阴离子亲和力强，但商用铁盐增加成本，因此研究人员提出以甘蔗渣为碳前驱体、赤泥（铝工业富铁副产品）为铁源，通过“废物增值”路线合成铁基生物炭(RBB)，并在更贴近实际的固定床柱连续流体系中评价其Se(IV)去除性能，结合穿透曲线动力学建模与水相物种密度泛函理论(DFT)计算揭示机理，成果发表于《Environmental Technology》。

关键技术方法上，研究人员以印度北阿坎德邦Roorkee附近糖厂甘蔗渣与奥迪沙邦NALCO赤泥为原料，赤泥悬浮液浸渍甘蔗渣后700℃惰性热解制备RBB（150–300 μm）；采用Φ2 cm×15 cm丙烯酸柱进行下行流固定床实验，变量为床高1/3/5 cm、流速1/2/3 ml/min、进水Se(IV) 1/5 mg/l（pH 7.2±0.8，合成水样），出水每30 min经ICP-MS测Se(IV)至穿透；穿透数据用非线性Thomas、Adams-Bohart、Yoon-Nelson模型拟合；吸附机理端对水相SeO₃^2-与HSeO₃^-做DFT计算获吸附能；材料表征用FE-SEM/EDS、BET/QASDFT、XRF、XRD。

研究结果部分，引言(1. Introduction)指出硒污染地域广、限值严（部分建议饮用水限至1 μg/l），原始生物炭除Se有限，赤泥引入铁氧化物可形成内圈络合，柱实验填补批处理研究空白。材料与方法(2. Material and Methods)中2.1节表征确认RBB成功将赤泥矿物相固定入碳基质；2.2节建立柱实验与q_total、q_eq、m_total、E及V_b、V_e计算公式；2.3节明确三模型用于穿透预测。摘要级结论显示优化参数下q_o=3.98 mg/g、N_o=623.7 mg/l、τ=990 min；DFT表明SeO₃^2-吸附能-29.56 kcal/mol优于HSeO₃^-的-21.05 kcal/mol，热力学上SeO₃^2-更易被RBB内圈配位捕获。

讨论与结论部分，研究人员总结固定床柱中床高增大、流速降低均推迟穿透并提高柱利用率，赤泥衍生铁氧化物提供活性位点使Se(IV)以内层表面络合被固持；Thomas模型对实验数据拟合优度最高，可可靠外推放大设计参数；DFT从电子结构层面佐证SeO₃^2-较HSeO₃^-与铁位点作用更强，与柱实验优选条件一致。该研究证实甘蔗渣–赤泥铁基生物炭是具实用潜力的连续流Se(IV)吸附剂，同时实现农业残渣与工业赤泥协同高值化，为低成本可持续水处理提供工艺依据与机理支撑。