废甘蔗渣衍生生物质吸附剂通过吸附-脱附过程从水中回收铂离子的高效性能研究

《Sustainable Chemistry for the Environment》：Waste sugarcane bagasse as an efficient biomass-derived adsorbent for the recovery of platinum ions via adsorption–desorption from water

　　

为探究废弃甘蔗渣（SC）衍生生物质吸附剂对铂离子的吸附特性与吸附性能，研究人员通过500°C和1,000°C煅烧制备了SC样品（分别记为SC500和SC1000）。采用物理化学特征分析手段对SC样品进行了表征，并通过等温吸附实验和动力学实验评价其对铂离子的吸附行为，发现SC1000的吸附容量高于SC500。SC1000的动力学数据拟合准二级动力学模型，相关系数为0.993；等温吸附数据拟合Freundlich模型，最大吸附容量达到42.5 mg/g。不同温度下的吸附研究表明该吸附过程为吸热反应。为理解铂离子的吸附机理，研究人员分析了吸附前后的铂（Pt）分布和结合能，X射线光电子能谱（XPS）在吸附后检测到铂峰。铂离子去除的最适pH约为2。在二元溶液体系中，部分阳离子对铂离子吸附容量产生显著影响。解吸实验采用NaOH溶液、HCl溶液和纯水进行，在1 mmol/L氢氧化钠溶液中获得较高解吸效率。吸附-脱附实验表明，SC1000可至少重复使用三次。研究人员通过从水溶液中吸附并随后回收铂离子，进一步评价了SC1000的可重复使用性和实际应用潜力。

**废甘蔗渣衍生吸附剂对铂离子的吸附-脱附回收研究：背景、方法、结果与结论解读**

**一、研究背景与问题**

铂族金属因其独特性质广泛应用于工业领域，导致工业废水中铂含量升高。铂配合物（如抗肿瘤药物）不仅对癌细胞具有毒性，对非癌细胞也有毒害作用。国际癌症研究机构（IARC）将铂类化疗药物列为“可能”对人类致癌的物质，其原形或代谢产物经患者尿液排入水生环境后，会对生物体产生遗传毒性。尽管医疗设施排放的铂类抗肿瘤药物及其代谢物浓度通常不足以引起急性毒性，但长期暴露于含铂化合物可能导致慢性遗传毒性效应。因此，从二次资源中回收铂族金属以及从水体（包括医院废水）中去除铂离子对防止环境污染至关重要。现有金属离子去除或回收方法（如溶剂萃取、电积、离子交换和化学沉淀）存在运营成本高、试剂消耗大、能耗高及产生有毒二次污泥等问题。吸附法因成本低、效率高而受到广泛关注。废弃甘蔗渣作为农业废弃物，年产量达5.4亿吨，具有作为低成本生物质吸附剂的潜力。然而，甘蔗渣对水溶液中铂离子的吸附行为此前尚未见报道。研究者设想利用甘蔗渣作为吸附剂从水中去除和回收铂离子，以促进其资源化利用并推动废水处理中抗肿瘤药物去除和铂族金属回收的进展。

**二、研究开展与主要结论**

研究人员以泰国清迈省当地市场获取的废弃甘蔗渣为原料，通过500°C和1,000°C煅烧制备了SC500和SC1000两种吸附剂，并对其形貌、热稳定性、比表面积、零电荷点（pH_pzc）及表面官能团等理化特性进行表征。通过批量吸附实验考察了接触时间、初始浓度、温度、pH等因素对铂离子吸附的影响，并利用动力学模型、等温吸附模型和热力学参数分析吸附行为。同时，通过X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）和红外光谱（FT-IR）等手段解析吸附机理。研究还考察了共存离子对吸附选择性的影响，并采用NaOH、HCl及纯水进行解吸实验，评估SC1000的循环使用性能。结果表明，SC1000因具有较高比表面积（611.4 m2/g）、较高pH_pzc（10.0）和碱性官能团（5.1 mmol/g），其对铂离子的吸附容量（35.8 mg/g）显著高于原样SC（1.4 mg/g）和SC500（1.5 mg/g）。吸附动力学符合准二级动力学模型（PSOM，r=0.993），提示化学吸附为主要机制；等温线更符合Freundlich模型，最大吸附容量q_max达42.5 mg/g。热力学参数显示吸附过程为自发的吸热过程。pH实验表明最适吸附pH约为2，此时铂离子主要以[PtCl₆]^2?形式存在，与质子化的吸附剂表面发生静电吸引。XPS在吸附后出现Pt 4f峰，证实铂成功负载。共存离子实验显示，除镍和铜离子外，其他阳离子会显著降低铂离子吸附量。解吸实验发现NaOH溶液优于HCl溶液和纯水，1 mmol/L NaOH解吸率可达63.7%。经三次吸附-脱附循环，SC1000可重复使用，总回收率为61.6%。

**三、主要关键技术方法**

本研究采用的核心技术方法包括：（1）热重-差热分析（TG-DTA）和X射线衍射（XRD）表征材料热稳定性和晶体结构变化；（2）SEM观察形貌，BET法测定比表面积，Boehm滴定法量化表面酸碱性官能团，以及pH漂移法测定零电荷点；（3）批量平衡吸附实验结合准一级（PFOM）和准二级（PSOM）动力学模型、Langmuir和Freundlich等温线模型以及Van't Hoff热力学模型进行数据分析；（4）XPS和FT-IR分析吸附前后表面元素结合能和官能团变化；（5）电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）定量分析溶液中铂离子浓度；（6）解吸实验与循环吸附-脱附实验评估再生性能。样本来源为泰国清迈省当地市场（2023年10月采集）。

**四、研究结果**

**1. SC样品的特征**
热重分析显示水分蒸发约10%，200–500°C出现燃烧导致的显著失重。XRD主峰煅烧后从约22°移至24–25°。比表面积随煅烧温度显著增大，酸性官能团减少而碱性官能团增加，故pH_pzc升高。SC1000的比表面积为611.4 m2/g，pH_pzc为10.0，碱性官能团5.1 mmol/g，表明其具备去除铂离子的潜力。

**2. SC样品对铂离子的吸附容量**
吸附筛选实验显示SC1000吸附量（35.8 mg/g）显著高于SC和SC500，且单位比表面积吸附量顺序为SC500（0.02 mg/m2）< SC1000（0.05 mg/m2）< SC（4.6 mg/m2）。动力学实验表明吸附在3小时内快速进行，24小时内达到平衡；PSOM拟合相关系数（0.993）优于PFOM（0.917），且理论平衡吸附量与实验值接近，说明吸附主要涉及电子共享的化学吸附。热力学参数ΔH=4.4 kJ/mol为正，证实吸热过程；ΔG为?8.4至?10.1 kJ/mol，表明反应自发性；ΔS=45.5 kJ/mol·K反映固液界面随机性增加。等温实验中Freundlich模型拟合更好，1/n值（0.23–0.37）表明铂离子易于吸附。XPS图谱在71 eV和75 eV处出现Pt 4f_7/2和Pt 4f_5/2峰，FT-IR显示O–H和C=C/C=O峰强度轻微下降。最适pH为2，归因于阴离子[PtCl₆]^2?与质子化表面的静电作用。

**3. 共存离子对SC1000吸附铂离子的影响**
二元体系中，除镍、铜离子外，其他阳离子（钠、钾、钙、镁、铝、铁）均显著降低铂离子吸附量。这与软硬酸碱理论相关：硬酸离子优先占据碳-氧官能团边缘的硬位点，而镍和铜为交界酸，与SC1000作用弱，不影响铂吸附。

**4. SC1000对铂离子的吸附-脱附能力**
NaOH溶液的解吸效率高于HCl溶液和纯水。1、10、100、1000 mmol/L NaOH解吸率分别为63.7%、72.3%、75.1%、82.0%。三次循环实验中，回收率依次为79.3%、47.5%和60.7%，总回收率61.6%，吸附剂损失为25%、12%和18%，需改进回收技术。SC1000表现出良好的应用潜力。

**五、讨论总结与研究结论**

讨论部分指出，pH、共存离子和材料表面特性是控制铂离子吸附的关键因素。适宜pH下的静电相互作用和表面络合以及高比表面积共同促进吸附。与文献中其他吸附剂相比，SC1000吸附容量虽非最高，但源于废弃甘蔗渣的资源化利用具有可持续和低成本优势。研究结论为：热处理的甘蔗渣SC1000具有高比表面积、高pH_pzc和碱性官能团，对铂离子的吸附符合Freundlich等温线，q_max为42.5 mg/g；动力学符合准二级模型，XPS证实铂被成功吸附；最适pH约为2；共存离子中镍、铜不影响吸附；NaOH溶液可有效解吸并实现至少三次循环使用。因此，SC1000是一种有前景的铂离子吸附剂。