燕麦壳生物炭制备方法对铵吸附性能的影响：探寻高效废水净化之路

《Scientific Reports》：Effect of synthesis method on ammonium sorption behavior of oat husk biochar

为解决废水中铵离子（NH4+?）污染问题，研究人员开展了燕麦壳生物炭制备方法对其铵吸附行为影响的研究。结果表明，NaOH 改性的生物炭吸附能力最强，该研究为废水处理中生物炭的应用提供了参考。

　　在环境问题日益严峻的当下，水资源污染已成为全球关注的焦点。铵离子（NH4+?）作为常见的水体污染物，广泛存在于各类水源中。高浓度的铵离子不仅会破坏水体生态平衡，还对土壤、大气环境造成负面影响，严重威胁公众健康。传统的废水处理技术在应对铵离子污染时，常面临成本高、效果不佳或易造成二次污染等问题。因此，开发一种高效、经济且环保的铵离子去除方法迫在眉睫。

在此背景下，来自巴西伯南布哥联邦大学、波兰格但斯克工业大学等机构的研究人员，针对燕麦壳生物炭制备方法对其铵吸附性能的影响展开研究。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为解决铵离子污染问题提供了新的思路和方法。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过元素分析（使用 CHNS/O 分析仪和 XRF 方法）来确定生物炭的元素组成；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析生物炭表面的功能基团；借助扫描电子显微镜（SEM）观察生物炭的微观形态；运用比表面积分析（BET）测量生物炭的比表面积和孔结构。在吸附性能研究方面，通过配制不同浓度的铵离子溶液，进行初始铵吸附评估、吸附动力学、吸附等温线以及解吸动力学实验，并运用多种数学模型对实验数据进行拟合分析。

生物炭的制备与表征

研究人员选取了三种制备生物炭的方法。方法 I（OAT - F）利用二茂铁（ferrocene）作为催化剂，与燕麦壳粉末混合后在马弗炉中加热；方法 II（OAT - 1H）是传统的生物质碳化过程；方法 III（OAT - NAOH）则使用氢氧化钠（NaOH）对燕麦壳进行碱处理后再碳化。
在元素组成方面，酸洗涤处理后，生物炭中钾（K）含量显著降低，而铁（Fe）、硅（Si）等元素含量有所增加。不同生物炭的 H/C 比差异不明显，表明合成方法对生物炭的芳香性和结构稳定性影响较小。但 OAT - 2H - NAOH 样品的 O/C 比更高，意味着其极性更强，表面含氧功能基团更多。
FTIR 分析显示，不同生物炭在特征峰上存在差异。如羧基（C=O）的伸缩振动峰，在 OAT - F 和 OAT - 1H 中强度较大，而在 OAT - 2H - NAOH 中因碱处理有所减弱。SEM 和 BET 分析表明，OAT - 2H - NAOH 生物炭具有最高的比表面积（24.9m2/g）和最小的孔径（2.5nm），这得益于 NaOH 处理增加了表面粗糙度和促进了微孔形成。

铵吸附性能研究

在初始铵吸附评估中，以 100mg/L 的铵离子溶液进行测试，结果显示 OAT - 2H - NAOH 生物炭的铵吸附容量最高，达到 7.9mg/g，远高于 OAT - 1H（1.1mg/g）和 OAT - F（5.1mg/g），表明 NaOH 处理显著提高了生物炭的铵吸附能力。
接触时间对 OAT - 2H - NAOH 生物炭吸附铵离子的影响研究发现，吸附容量在 2h 内逐渐增加并达到最大值，之后开始下降，这表明该生物炭在 2h 左右达到吸附饱和，之后铵离子会重新释放回溶液。
吸附动力学实验中，伪一阶、伪二阶、Avrami 和 Elovich 模型均能较好地拟合实验数据，但 Avrami 模型拟合效果最佳（R2=0.99），表明该生物炭对铵离子的吸附机制是一个复杂的多路径过程。
解吸动力学实验表明，OAT - 2H - NAOH 生物炭的铵解吸行为符合一级模型（R2=0.886 ），说明该模型能较好地描述其解吸性能。
吸附等温线研究运用 Freundlich 和 Langmuir 模型对 OAT - 2H - NAOH 生物炭的吸附数据进行拟合。结果显示，Freundlich 模型的拟合效果更好（R2>0.9），表明该生物炭对铵离子的吸附存在多层吸附现象。同时，根据 Langmuir 模型计算得出，OAT - 2H - NAOH 生物炭的最大吸附容量为 59.61mg/g。与其他常见生物炭相比，该研究制备的燕麦壳生物炭具有较高的吸附容量。

综上所述，该研究通过对比不同制备方法得到的燕麦壳生物炭对铵离子的吸附性能，发现 NaOH 改性的生物炭具有最高的吸附容量。这主要归因于其较高的比表面积和丰富的氧化表面基团。该生物炭在 2h 内达到最大吸附容量，之后出现解吸现象，这种特性使其适用于快速吸附 / 解吸应用场景。实验数据分别与 Freundlich 和 Avrami 模型拟合效果最佳，为生物炭吸附铵离子的机制研究提供了理论依据。该研究成果为开发高效的废水处理吸附剂提供了新的方向，有助于推动环境修复领域的发展，为解决水资源污染问题提供了有价值的参考，有望在实际应用中实现对铵离子污染水体的有效治理，具有重要的科学意义和应用前景。