《Bioresource Technology Reports》：Dual-route synthesis of bio-composites for rapid, high-efficiency arsenic and lead removal from water: Comparing pyrolysis and hydrothermal approaches
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双路径合成椰子纤维-FeCl3/壳聚糖生物复合材料，研究热解与水热处理对As(III)和Pb(II)吸附性能的影响。水热法制备材料因高密度铁氧化物和活性基团实现90.39% As(III)去除率，而热解材料凭借孔隙结构更优Pb(II)吸附，揭示合成策略对材料表面化学及吸附机制的关键调控作用。
阮氏 Thi-Hai Anh|中野明子|陈丹宣|黎克黄|丸山文人|阮文谭|Md Sahed Hasan|洛维萨·潘杜莱尼·约翰内斯|阮文廷
广岛大学高等科学与工程学院，日本东广岛市，739-8529
摘要
本研究提出了一种双途径合成方法，利用椰子纤维废弃物、壳聚糖和FeCl?制备生物复合材料，以高效去除水溶液中的As(III)和Pb(II)。通过热解和水热处理两种方法制备了具有不同物理化学性质的生物复合材料。通过ζ电位分析、BET比表面积测量、SEM-EDX和XRD对材料进行了表征，证实了Fe的有效功能化及结构转变。此外，还使用ICP-OES测定了研究元素的质量浓度。吸附实验表明，原始生物炭和热解生物炭在15分钟内几乎可完全去除Pb(II)。值得注意的是，通过水热处理制备的生物炭在去除As(III)方面表现出更优异的性能，去除效率达到90.39%。这种增强的砷吸附能力归因于氧化铁的高表面密度和活性官能团，这些因素促进了与As(III)的内层复合。相比之下，Pb(II)的吸附受表面孔隙率和官能团相互作用的影响，两种类型的复合材料均表现出良好的吸附效果。这些发现突显了合成策略对材料吸附行为的关键作用。特别是，基于水热处理的生物炭在砷修复应用中具有巨大潜力，为开发多功能水处理吸附剂提供了可持续且低成本的途径。
引言
工业、采矿和农业活动的迅速扩张导致地表水和地下水受到多种污染物的广泛污染，包括重金属、类金属、染料、磷酸盐和含氮化合物（Serr?o等人，2022年；Li等人，2019年；Sidhu等人，2019年）。其中，铅（Pb）和砷（As）等重金属和类金属尤其危险，因为它们即使在微量浓度下也具有毒性、持久性和生物累积潜力（Elizabeth Rani等人，2021年；Moukadiri等人，2024年）。这些有毒物质可通过多种途径进入人体，如饮用水、食物链和皮肤接触，并与多种急性和慢性健康问题相关（Rai等人，2019年）。
铅暴露会导致严重的神经系统、发育、心血管和肾脏损伤，尤其是在儿童中；而砷污染与癌症、皮肤疾病以及心血管、肝脏和免疫系统的系统损伤有关（ATSDR，2012年；Marschner，2011年；Niekerk等人，2024年；Al-Saleh等人，2018年；El-Kady和Abdel-Wahhab，2018年）。工业废水中的铅和砷浓度往往远超允许限值，未经处理的废水中铅的浓度可高达200–500 mg/L，砷的浓度约为100 mg/L（Hartley和Lepp，2008年；Kapaj等人，2006年）。为此，世界卫生组织（WHO）将饮用水中铅和砷的最大允许浓度设定为10 μg/L（Liu等人，2013年）。
为了降低这些风险，人们探索了多种修复技术，包括膜过滤、化学沉淀和吸附（Miller和Zimmerman，2010年；Ucun等人，2003年）。其中，吸附被广泛认为是一种高效、低成本且可扩展的方法，可用于从水环境中去除金属污染物（Cotruvo，2019年）。生物炭是通过生物质的热处理或水热处理制成的，由于其多孔结构、高比表面积和丰富的表面官能团而成为一种有前景的吸附剂（Seyedi等人，2024年；Mandal等人，2020年；Huang等人，2019年）。
椰子纤维废弃物是一种富含碳的农业副产品，作为可持续吸附剂生产的原料受到了关注。然而，原始生物炭通常需要改性以提升其吸附性能。用铁盐和壳聚糖等聚合物进行化学改性已被证明可以通过氧化还原反应、表面复合和磁分离能力来提高吸附效果（Kumar等人，2018年；Oh和Seo，2019年；Jiang等人，2023年；Singh等人，2021年）。
目前，从生物质合成富碳吸附剂主要有两种方法：热解和水热碳化（HTC）。热解在缺氧条件下进行高温处理，可得到高比表面积和孔隙率的生物炭；而HTC则在温和温度和自生成的压力下对湿生物质进行处理，得到具有独特物理化学性质的生物炭，包括丰富的表面氧官能团和改善的金属结合能力（Kim等人，2020年；Oh和Seo，2015年；Liang等人，2023年；Yan等人，2024年）。值得注意的是，生物炭在去除As(III)方面表现出特别的有效性，这归因于其中丰富的氧化铁含量和促进内层复合的表面官能团（Thinh等人，2021年；Liu等人，2018年；Ye等人，2025年）。
近年来，经过Fe改性的生物炭和基于壳聚糖的复合材料成为有效的、低成本的、环保的金属吸附剂，因为其中含有氧化铁以及丰富的含氧和含氮官能团，这些官能团促进了与金属物种的内层复合和静电相互作用（Xiao等人，2019年；Zhu等人，2025年；Chin等人，2022年）。通过浸渍、共沉淀或水热法制备的Fe-生物炭体系通过Fe–OH活性位点增强了砷的吸附能力，而壳聚糖的加入虽然提高了金属螯合效果，但通常稳定性较差且比表面积有限（Chin等人，2022年；Uppaluri等人，2025年）。新证据表明，合成策略对氧化铁的分布、结晶度和表面官能团具有重要影响，从而决定了对特定金属的吸附行为（Chin等人，2022年；Guo等人，2025年）。然而，大多数先前的研究使用不同的前体或改性方法，限制了不同合成途径之间的直接比较。
在本研究中，我们使用热解和水热两种方法从椰子纤维废弃物合成了FeCl?和壳聚糖改性的生物复合材料。这种双途径策略旨在系统比较所得材料对Pb(II)和As(III)离子的结构、化学和吸附性能。我们假设水热合成的生物炭（生物炭）由于表面反应性增强而具有更好的As(III)吸附性能，而热解生物炭则因其结构孔隙率而更有利于Pb(II)的去除。
本研究的具体目标是：（1）使用热解和水热方法制备并表征FeCl?/壳聚糖改性的椰子纤维生物复合材料；（2）评估在不同条件下的Pb(II)和As(III)去除动力学和效率；（3）基于材料性质和金属-表面相互作用阐明吸附机制。这项工作有助于开发可持续、低成本的生物复合材料，用于从水中靶向去除有毒金属，并强调了生物炭在增强砷修复方面的潜力。
材料
本研究中使用的所有化学试剂均为分析级或试剂级。铅和砷标准溶液、壳聚糖100、硝酸（HNO?，约69%）、氯化钠（NaCl，>99%）和乙酸（CH?COOH，≥96%）均购自富士胶片和和光纯化学公司（东京，日本）。无水三氯化铁（FeCl?，≥96%）来自关东化学公司（东京，日本），而氢氧化钾（KOH，颗粒状）由东京化学工业有限公司（TCI，日本）提供。
合成材料的特性
表2总结了所合成椰子纤维基生物复合材料的BET比表面积。在所有样品中，RBC和mBC的比表面积最高，分别为230.6 m2/g和299.0 m2/g。这些较高的值表明，高温热解和KOH活化有效降解了纤维素和木质素结构，形成了富含微孔的非晶碳（Zhao等人，2018年；Yang等人，2018年）。吸附机制
通过分析材料特性（包括BET比表面积、ζ电位、SEM-EDX和XRD结果），可以阐明Pb(II)和As(III)在合成椰子纤维基生物复合材料上的吸附机制。如表2所示，BET分析提供了关于比表面积和孔径分布的关键信息，这些因素显著影响吸附动力学和容量。在吸附初期，Pb(II)和As(III)离子迅速被吸附到材料表面。结论
本研究成功展示了椰子纤维衍生生物炭/FeCl?@聚合物复合材料的合成及其去除受污染水中Pb(II)和As(III)的性能。这项研究的创新之处在于阐明了热解和水热碳化途径所产生的新的结构-性质-功能关系。通过使用统一的前体系统（椰子纤维生物炭/壳聚糖/FeCl?），我们证明了不同合成途径得到的材料表现出不同的性能。
CRediT作者贡献声明
阮氏 Thi-Hai Anh：撰写初稿、进行研究、进行正式分析、数据整理。中野明子：提供资源、进行正式分析。陈丹宣：进行验证。黎克黄：负责软件操作、进行正式分析。丸山文人：进行正式分析。阮文谭：进行正式分析。Md Sahed Hasan：进行正式分析。洛维萨·潘杜莱尼·约翰内斯：进行正式分析。未引用参考文献
Chen等人，2019年
Chong等人，2022年
Graber等人，2018年
Pring等人，2018年
Wu等人，2025年
Zhou等人，2025年利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。致谢
作者感谢KAKENHI项目（编号23K14058）和Satake技术基金会（2025年）对这项研究的支持，特别是提供了必要的实验室设备。XRD分析（MiniFlex600-C）和定量元素分析（ICP-OES 5800）在九州大学先进仪器分析中心进行，该分析得到了SENTAN-Q 2024–2025项目的资助。
