一种新型的生物源废弃物衍生CHS-DFCW/AC混合复合材料，用于高效修复七价锰（Mn(VII）：技术经济评估、方差分析（ANOVA）及高级建模

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A novel biogenic waste-derived CHS-DFCW/AC hybrid composite for highly efficient Mn(VII) remediation: Techno-economic assessment, ANOVA, and advanced modeling

新型生物吸附剂对高锰酸盐的去除机理及优化研究：通过 duck feather creatin waste 与农业废衍生活性炭复合功能化制备 CHS-DFCW/AC 吸附剂，采用 Box-Behnken 设计优化 pH=2、16 mg、150 min 条件，Langmuir 等温模型拟合最佳，热力学证实为吸热自发过程，结合静电作用与氮氧配位，成本仅 0.63 美元/100 L，循环五次效率达 76.59%。

　　

Raouf Hassan、Raid Alrowais、Aly A.A. Soliman、Ahmed S. Elshimy

沙特阿拉伯利雅得13318，伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）工程学院土木工程系

摘要

一种之前未被探索过的复合材料CHS-DFCW/AC被开发用于从水系统中靶向去除Mn(VII)。其制备过程涉及将农业废弃物制成的活性炭（AC）与鸭羽毛肌酸废弃物（DFCW）结合，并通过壳聚糖（CHS）进行功能化处理，从而形成一种新型的混合生物吸附剂。通过FTIR、XRD、BET比表面积分析、TG/DTG、FESEM、EDX和元素映射等分析方法，证实了CHS-DFCW/AC生物吸附剂的独特吸附性能。采用Box-Behnken设计（BBD）的统计建模方法评估并优化了三个主要吸附变量：溶液pH值、吸附剂质量和反应时间的影响。结果表明，在pH值为2、吸附剂用量为16 mg、接触时间为150分钟、初始浓度为150 mg/L以及温度为328 K的条件下，该吸附剂的去除效果最佳。吸附动力学过程可用伪一级（PFO）和伪二级（PSO）模型准确描述，而平衡数据更符合Langmuir等温线。高级计算建模显示，这种吸附机制与温度无关，属于多分子现象，其特征是分子在垂直方向上发生排列。热力学分析表明该过程是自发的吸热过程，由物理吸附和化学吸附的协同作用驱动。这种作用主要受静电吸引力的影响，同时涉及氮和氧供体位点的配位和螯合作用，相关结合能为21.58至23.75 kJ/mol。由于生产成本仅为5.14美元/千克且具有优异的重复使用性（五次循环后效率仍达76.59%），这种生物吸附剂成为废水处理的低成本解决方案。处理100升浓度为50 mg/L的Mn(VII)溶液的成本约为0.63美元，凸显了其在高级三级水处理过程中的广泛应用潜力。

章节摘录

环境相关性及战略部署前景

高锰酸盐是一种持久且移动性的氧阴离子污染物，通常来源于工业活动，由于其高毒性、氧化能力和生物累积潜力，对水安全构成严重威胁。废弃生物质的再利用为开发先进修复材料提供了可持续途径。本研究通过战略性地整合鸭羽毛等废弃物，成功制备出了一种新型环保吸附剂。

材料与化学品

鸭羽毛样本来自家养鸭场。农业废弃物制成的活性炭购自中国广东省广州市南沙区。用于制备重金属溶液的高纯度高锰酸盐（KMnO?，分子量319.85 g/mol）购自马来西亚Sigma-Aldrich公司。此外，还使用了高纯度分析试剂，如盐酸（HCl，浓度36.00%）和氢氧化钠等。

FTIR光谱

为研究复合材料合成后表面官能团的变化，采用了FTIR光谱技术。图2a展示了DFCW、AC以及合成的CHS-DFCW/AC复合物的红外光谱，覆盖了400至4000 cm?1的中红外区域。DFCW的FTIR谱线中可见明显的特征峰，表明其含有酰胺（-CO-NH-）键以及-NH?、-C=NH和-C-H伸缩振动。

结论

通过将鸭羽毛肌酸废弃物（DFCW）和农业废弃物制成的活性炭与壳聚糖结合，制备出了一种可持续的生物复合材料。该CHS-DFCW/AC材料被证明能有效吸附水中的Mn(VII)。通过Box-Behnken设计建模和实验室实验相结合的方法，对其吸附性能进行了系统优化和验证。在pH值为2的条件下，Mn(VII)的最大去除率达到99.57%。

伦理批准与参与同意

由于本研究未涉及人类或动物实验，因此无需伦理批准。

资助

本工作得到了伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科研处的支持与资助（资助编号：IMSIU-DDRSP2502）。

作者贡献声明

Raouf Hassan：撰写、审稿与编辑、资金申请。 Elshimy Ahmed：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、项目管理、概念构思。 Soliman Aly A. A.：撰写、审稿与编辑。 Raid Alrowais：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响研究结果的财务或个人利益冲突。

致谢

作者感谢伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科研处的资助（资助编号：IMSIU-DDRSP2502）。

出版同意

作者声明：

• 本研究为原创未发表的研究成果；
• 该手稿尚未在其他地方提交审稿；
• 所有合作者均同意其发表。