富镁氮自掺杂角蛋白基生物炭对镉铅的高效吸附性能及其机制研究

为解决重金属Cd和Pb污染问题，研究人员开发了富镁氮自掺杂角蛋白基生物炭（MNBCs），通过Mg掺杂提升比表面积和官能团活性，实现Cd（295.63 mg·g?1）和Pb（640.48 mg·g?1）的高效吸附，机制涉及离子交换、沉淀和表面络合，为废弃羽毛资源化及重金属污染修复提供新策略。

　　

重金属污染一直是环境领域的顽疾，尤其是镉（Cd）和铅（Pb）这类隐蔽性强、毒性持久的污染物，它们通过工业废水渗入水土环境，最终威胁人类神经、肾脏和心血管健康。传统生物炭因活性位点有限，吸附能力往往捉襟见肘。如何低成本、高效地“捕获”这些重金属，成为科学家们亟待破解的难题。

针对这一挑战，华南农业大学自然资源与环境学院的研究团队独辟蹊径，将目光投向了废弃鸡羽毛——这种富含氮（13.69%）的“天然原料库”。他们创新性地将羽毛与氯化镁结合，通过浸渍-热解技术制备出富镁氮自掺杂角蛋白基生物炭（MNBCs），相关成果发表在《Journal of Water Process Engineering》上。

研究团队采用比表面积分析（BET）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，系统评估了MNBCs的理化特性。通过批吸附实验结合动力学模型，揭示了其吸附机制。

材料特性：镁的“魔法”改造
MNBCs中Mg₃(OH)₅Cl·4H₂O和MgO的形成显著提升了pH值、比表面积（最高达25.24 m²·g^?1）和孔容积。这种结构改造为重金属吸附提供了更多“陷阱”。

吸附性能：数据说话
最优样品MNBC3对Cd和Pb的吸附容量分别达到295.63 mg·g^?1和640.48 mg·g^?1，远超未改性生物炭。伪二级动力学模型和Langmuir等温线拟合表明，化学吸附主导该过程。

机制解码：四重奏效应

1. 孔隙填充：扩大的孔道结构物理截留重金属离子；
2. 离子交换：Mg²⁺与Cd²⁺/Pb²⁺发生置换反应；
3. 沉淀反应：碱性环境促使生成Cd(OH)₂和Pb₃(CO₃)₂(OH)₂；
4. 官能团络合：FTIR证实含氧/氮基团（如-COOH、-NH₂）与金属离子配位结合。

这项研究不仅实现了废弃羽毛的“变废为宝”，更开创了重金属污染治理的新思路。MNBCs的低成本、高效益特性，使其在工业废水处理领域具有广阔应用前景。未来研究可进一步探索不同金属共掺杂策略，优化材料在复杂环境中的实际性能。