基于玉米芯和甘蔗渣的生物炭对重金属吸附性能的增强研究

《Biomass and Bioenergy》：Enhanced heavy metals adsorption performance of corncob and bagasse derived biochars

本文系统评述了利用农业废弃物（玉米芯和甘蔗渣）制备的生物炭用于去除废水中重金属的研究。为解决水体中铅(Pb2+)、镉(Cd2+)、铬(Cr6+)等重金属污染问题，研究人员对两种生物炭的制备、表征、吸附机理及再生性能进行了综合分析。结果显示，优化制备条件并进行表面改性后，吸附效率可达99.4%，吸附机制涉及表面络合、离子交换等，且生物炭可多次再生利用，具有良好的应用前景，为开发低成本、可持续的污水处理吸附剂提供了重要依据。

　　

随着工业活动的日益频繁，大量含有铅(Pb)、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、砷(As)、汞(Hg)、镉(Cd)、锌(Zn)等重金属的废水被排入水体。这些重金属具有毒性、生物累积性且难以降解，对生态环境和人类健康构成了严重威胁。传统的废水处理方法如混凝、浮选、离子交换等，往往存在成本高、可能产生二次污染或污泥等问题。因此，寻找一种高效、经济且环保的吸附材料成为研究热点。生物炭（Biochar），作为一种由生物质在限氧条件下热解（Pyrolysis）产生的富碳固体材料，因其原料来源广泛（如农业废弃物）、成本低廉且具备良好的吸附性能而备受关注。在众多农业废弃物中，玉米芯（Corncob, CC）和甘蔗渣（Sugarcane Bagasse, SB）年产量巨大，其不当处置会引发环境问题，而将其转化为高附加值吸附剂则能实现“以废治废”，契合可持续发展目标（SDGs）。

为了系统评估这两种特定原料生物炭的潜力，来自南非德班理工大学的研究人员Kabiru B. Muritala、Felicia O. Afolabi、Paul Musonge和Tunmise L. Adewoye在《Biomass and Bioenergy》上发表了一篇综述。他们全面梳理和分析了2016年至2025年间发表的有关玉米芯生物炭（CCB）和甘蔗渣生物炭（SBB）用于重金属吸附的研究成果。本研究不采取泛泛而谈的方式，而是聚焦于这两种特定原料，深入探讨了它们的原料组成差异、热解条件对理化性质的影响、吸附重金属的关键机理、性能对比以及再生潜力，旨在为优化其作为低成本、可持续吸附剂的应用提供明确的科学指导。

研究人员主要通过文献综述与系统分析的方法开展研究。他们检索了Scopus数据库，使用“玉米芯生物炭”、“甘蔗渣生物炭”、“重金属吸附”、“废水处理”等关键词筛选文献。研究重点分析了文献中报道的生物炭制备条件（如热解温度、时间）、表征数据（如比表面积BET、孔隙结构、表面官能团FTIR）、吸附实验参数（pH值、接触时间、初始浓度）以及吸附性能（吸附容量、去除效率）和再生数据。研究还整合了动力学、等温线和热力学分析模型，以阐明吸附机制。

1. 生物炭用于重金属吸附的基础

本章节阐述了玉米芯和甘蔗渣的化学成分（纤维素、半纤维素和木质素），它们为生物炭提供了丰富的含氧官能团和潜在的离子交换位点。不同的热解方法（慢速、快速、微波）和条件（300–700 ^oC）显著影响生物炭的产率及其关键吸附特性。影响吸附性能的关键性质包括：

1.1 比表面积和孔隙率

生物炭的比表面积和孔体积随热解温度升高而增加，改性（如用ZnCl₂, KMnO₄）可进一步大幅提升。孔结构（微孔<2 nm，介孔2-50 nm，大孔>50 nm）决定了金属离子的扩散和捕获能力。研究表明，CCB和SBB的比表面积最高可分别达到520 m²/g和697.37 m²/g，改性后SBB的比表面积甚至可达1136.8 m²/g，这为其提供了大量的活性吸附位点。

1.2 元素组成

生物炭表面主要富含碳(C)和氧(O)，以及少量的无机矿物质（如K, Ca, Mg）。改性会引入新的元素（如Zn, Fe, Mn, N），这些元素通过提供特定的活性位点，增强了与重金属离子的络合和离子交换能力。

1.3 表面形貌

扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析显示，CCB和SBB具有高度多孔的互联网络结构。高温热解和化学改性可以优化其表面粗糙度和孔隙连通性，从而改善金属离子的扩散和吸附。

1.4 表面官能团

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实，生物炭表面存在羟基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基(C=O)等含氧官能团。这些基团是重金属离子发生表面络合和离子交换等化学吸附的主要作用位点。

1.5 生物炭对金属的吸附机制

重金属在CCB和SBB上的吸附是多种机制协同作用的结果，包括：孔隙填充（物理捕获）、离子交换（生物炭上的Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺与溶液中的重金属离子交换）、表面络合（重金属离子与-COOH、-OH等官能团形成稳定的螯合物）以及静电吸引（受溶液pH和生物炭零点电荷pH_PZC调控）。吸附性能具有金属特异性，并强烈依赖于溶液化学环境。

2. 玉米芯和甘蔗渣生物炭的吸附性能

文献数据表明，CCB和SBB对多种重金属表现出良好的吸附潜力。在优化条件下（pH 2-11，接触时间5分钟至24小时，吸附剂剂量0.05-4.0 g，温度25-50 ^oC），CCB对Pb²⁺和Cd²⁺的去除效率分别可达96.92%和95.78%，对Cr⁶⁺的最大吸附容量为38.13 mg/g。SBB在未改性时对As的去除效率较低（9%），但经Zn-Fe改性后大幅提升至91%。表面改性（如使用CuFe₂O₄、胺基化、磁性材料负载）能显著提升吸附容量，例如CuFe₂O₄改性的CCB对Pb²⁺的吸附容量从15.66 mg/g提升至132.10 mg/g。大多数吸附过程符合Langmuir等温线模型和伪二级动力学（PSO）模型，表明吸附是单层化学吸附。热力学分析表明，吸附过程是自发的、吸热的，且高温通常有利于吸附。

3. 生物炭的再生

再生是实现生物炭经济可行性和环境可持续性的关键。研究表明，CCB和SBB可以通过化学方法（如使用HNO₃、NaOH、HCl等洗脱剂）进行有效再生。例如，使用HNO₃再生SBB，经过5个循环后对Pb²⁺的脱附效率仍可达94%。尽管随着再生循环次数的增加，吸附性能会逐渐下降，但两种生物炭在多次循环后仍能保持可观的吸附能力，证明了其良好的可重复使用性和操作稳定性。

结论与讨论

本综述系统论证了以玉米芯和甘蔗渣这两种丰富农业废弃物为原料制备的生物炭，在去除废水中重金属方面具有巨大潜力。通过控制热解条件和进行表面改性，可以定向调控生物炭的比表面积、孔隙结构和表面化学性质，从而优化其对特定重金属的吸附性能。吸附过程主要由表面络合和离子交换等化学机制主导。与未改性生物炭相比，经过适当改性的CCB和SBB表现出显著增强的吸附容量和选择性。此外，它们良好的再生性能支持了其在连续处理系统中的实际应用前景。

这项研究的意义在于，它不仅仅是对生物炭吸附性能的一般性总结，而是针对两种特定、高产量的农业废弃物进行了深入的比较和机理剖析。这为基于原料特性设计和制备高性能吸附剂提供了具体指导。将农业废弃物转化为有价值的水处理材料，不仅降低了废水处理成本，也促进了废弃物的资源化利用，直接贡献于联合国可持续发展目标6（清洁饮水和卫生设施）、11（可持续城市和社区）和12（负责任消费和生产）。尽管在性能一致性、规模化生产以及再生过程的环境影响方面仍存在挑战，但本研究为后续研发更高效、稳定且环境友好的生物炭基吸附材料指明了方向，例如开发多功能复合材料、探索更绿色的再生方法以及开展全生命周期评估等。