锰改性生物炭对废水中铅离子的高效吸附特性与机理研究

《Frontiers in Environmental Science》：Adsorption characteristics and mechanism insights of manganese modified biochar for Pb (II) adsorption in wastewater

本文系统评述了锰改性竹基生物炭（Mn-BC）对废水中Pb(II)的吸附性能与机制。研究通过KMnO4浸渍改性成功合成Mn-BC，表征显示其比表面积（121.28 m2/g）和孔容（0.062 cm3/g）显著提升，最大吸附容量达153.63 mg/g，为未改性生物炭（BC）的5倍。吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温线，以化学吸附为主，且具备自发性和可重复性（5次循环后保持79%容量）。该材料为重金属废水治理提供了低成本、高稳定性的解决方案。

　　

引言

工业快速发展导致含铅废水对水环境的污染日益严重。铅（Pb）作为具有生物累积性的有毒重金属，可通过采矿、冶金和电镀等行业进入水体，引发贫血等健康问题。吸附法因高效低成本成为主流处理技术，而生物炭因其多孔结构和表面官能团丰富备受关注。然而原始生物炭（BC）吸附能力有限，需通过改性提升性能。锰（Mn）作为廉价过渡金属，其氧化物可增强生物炭的亲水性和活性位点，本研究通过KMnO₄改性竹材生物炭，探究其对Pb(II)的吸附特性与机制。

材料与方法

以500°C热解的竹基生物炭为原料，经0.1 mol/L KMnO₄浸渍24小时后二次煅烧制得锰改性生物炭（Mn-BC）。采用SEM、TEM-EDS、XRD、BET和XPS表征材料结构，并通过批次实验分析吸附动力学、等温线和热力学行为。

微观形貌与结构特征

扫描电镜显示Mn-BC表面粗糙度显著增加，出现锰氧化物纳米颗粒附着，孔隙结构更发达。BET分析表明Mn-BC比表面积（121.28 m²/g）和总孔容（0.062 cm³/g）均高于BC（76.17 m²/g，0.042 cm³/g）。XRD证实Mn-BC中形成MnO₂和Mn₃O₄晶体相，FTIR和XPS则检测到羧基、羟基等含氧官能团增强，为Pb(II)结合提供关键位点。

Pb(II)吸附性能

吸附剂用量影响：当投加量为1 g/L时，Mn-BC对50 mg/L Pb(II)的去除率超90%，而BC仅30%。吸附容量随用量增加而下降，在0.1 g/L时Mn-BC最高达110 mg/g。

吸附动力学与等温线：伪二级动力学模型（R²=0.99）表明化学吸附为主导机制，颗粒内扩散模型揭示三阶段吸附过程。Langmuir等温线（R²=0.98）拟合最大吸附容量为153.63 mg/g，较BC（30.22 mg/g）提升近5倍。

热力学与再生性：ΔG°为负值（-12.4至-18.7 kJ/mol）证明反应自发，ΔH°为正说明为吸热过程。经5次吸附-解吸循环后，Mn-BC仍保持79%吸附容量，优于BC的64%。

吸附机制解析

XPS分析显示Pb(II)通过以下途径固定：

1. 1.
   表面络合：Pb 4f谱中138.5 eV（Pb 4f_7/2）和143.4 eV（Pb 4f_5/2）峰位证实Pb与含氧官能团（-OH、-COOH）形成配位键；
2. 2.
   锰物种作用：Mn 2p轨道结合能偏移表明MnOx参与Pb(II)的氧化还原或离子交换；
3. 3.
   物理吸附：介孔结构提供扩散通道，增强捕集效率。

结论

锰改性竹基生物炭通过协同表面官能团与锰氧化物活性位点，实现Pb(II)的高效吸附。其优异的再生能力和结构稳定性为工业废水治理提供绿色解决方案，尤其适用于热带地区竹材废弃物的资源化利用。未来需进一步优化改性工艺并验证实际废水中的应用潜力。