专栏名称: Carbon Research

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Carbon Research | 利用废柚子皮制成的蜂窝结构生物炭协同吸附和光催化去除六价铬

Carbon Research · 公众号 · 科技媒体 · 2025-02-28 11:59

主要观点总结

本文利用废柚子皮合成具有互联多孔框架的活性生物炭（APC），该生物炭具有高比表面积和丰富的含氧官能团，对Cr(VI)具有良好的吸附和光催化去除能力。与原始生物炭相比，APC的吸附容量达到最大值307.3mg·g-1，能有效还原并去除Cr(VI)。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景

Cr(VI)是剧毒重金属，有效去除对人类健康和环境安全至关重要。废弃生物质提取的生物炭因具有孔隙多、比表面积大、成本低等特点，在去除污染物方面受到关注。

关键观点2: 研究方法

本文利用废柚子皮合成活性生物炭（APC），通过KOH活化和碳化工艺，获得具有高比表面积和独特三维蜂窝状多孔框架的生物炭。

关键观点3: 研究成果

APC对Cr(VI)的吸附容量达到最大值307.3mg·g-1，该吸附过程遵循准二阶动力学，主要由颗粒内扩散控制。在光照下，APC因强光吸收、低带隙、更多的活性氧，使富集的铬被完全还原。

关键观点4: 研究亮点

APC的蜂窝状结构、丰富的含氧官能团和吸附与光催化的协同作用可显著促进Cr(VI)的去除。该研究为去除废水中的污染物提供了一种有效的策略。

正文

摘要

六价铬（ Cr(VI) ）是众所周知的剧毒重金属，有效去除 Cr(VI) 对人类健康和环境安全极为必要。从废弃生物质中提取的生物炭具有孔隙多、比表面积大、成本低等特点，尤其是存在持久性自由基（PFR），因此在去除污染物方面受到广泛关注。本文利用废柚子皮合成了具有互联多孔框架的活性生物炭（APC），与原始生物炭（PPC）（8.78 m ² · g ^-1 ）相比，所获得的APC具有成倍的高比表面积（997.46 m ² · g ^-1 ），这是由于其独特的三维（3D）蜂窝结构框架和相互连接的孔隙所致。同时，APC 富含 C=O、C-H 和 O-H 等含氧官能团，可牢牢吸附 Cr(VI) 离子并将其转化为低毒性的 Cr( III ) 离子。APC 对 Cr(VI) 具有良好的吸附和光催化去除能力。与 PPC（194.2 mg · g ^-1 ）相比，APC 对 Cr(VI) 的吸附容量达到最大值 307.3 mg · g ^-1 ，该吸附过程遵循准二阶动力学，主要由颗粒内扩散控制。随后，在光照下，APC因具有强光吸收、低带隙、更多的活性氧，使富集的铬被完全还原，有效去除 Cr(VI) 。

图文摘要

亮点

废柚子皮经碳化和活化处理得到的生物炭呈多孔蜂窝状结构，具有丰富的含氧官能团。
蜂窝状生物炭具有较强的吸附能力和光催化活性。
蜂窝状生物炭的吸附和光催化协同作用可显著促进 Cr(VI) 的去除。

要点图例

图1

原始生物炭与活性生物炭形成过程的示意图

图2 原始生物炭（a-c）与活性生物炭(d-f)的场发射扫描电子显微镜图像（a， b，d，e）和透射电子显微镜图像（c，f）

图3 原始生物炭与活性生物炭的N₂吸附-脱附等温线（a）、孔径分布（b）、X射线衍射图谱（c）和热重分析曲线（d）

图4 初始pH值对原始生物炭与活性生物炭的

Cr(VI)

吸附容量（a）和去除效率

（b）的影响

图5 接触时间对 Cr(VI) 吸附的影响（a）；原始生物炭（b）与活性生物炭

（c）的

Cr(VI) 吸附动力学；原始生物炭（d）与活性生物炭（e）的颗粒内扩散动力学模型图

图6 温度对原始生物炭与活性生物炭的 Cr(VI) 吸附容量的影响（a）； ln ( K _d ) ~1/T 曲线（b）；原始生物炭（c）与活性生物炭（d）的 Cr(VI) 吸附等温线

图7 Cr(VI) 的光降解活性（a）；原始生物炭与活性生物炭的浓度随时间变化的曲线(b)；瞬态光电流响应曲线（c）和电化学阻抗谱曲线（d）

图8 在超纯水、盐酸以及氢氧化钠溶液中的循环吸附（a）；活性生物炭循环光催化去除

Cr(VI) （b）

图9 原始生物炭、活性生物炭与活性生物炭+ Cr(VI) 的傅里叶变换红外光谱（a）与拉曼光谱（b）； X射线光电子能谱全谱（c）；相应的高分辨X射线光电子能谱（d-f）； Cr(VI) 在活性生物炭上的吸附机制（g)

图10 在黑暗和光照条件下原始生物炭和活性生物炭产生的¹O₂ （a），・O₂⁻ （b）和・OH （c）的原

位电子顺磁共振谱图

图11 活性物种的捕获实验（a）；在可见光下利用活性生物炭去除Cr(VI)的光催化机制（b）

图12 实际废水中活性生物炭对 Cr(VI) 的去除性能

结论

结合 KOH活化和碳化工艺，利用废柚子皮构建生物炭（APC），该工艺既简单又环保，除KOH外无需引入任何其他化学试剂。
获得的生物炭具有较大的比表面积（997.46 m ² · g ^-1 ），具有独特的三维蜂窝状多孔框架和大量的官能团（C-C/C-H、C-O、C=O和O-C=O）。
具有独特多孔框架的生物炭通过 Cr(VI) 的吸附和光催化反应，可大大提高 Cr(VI) 的去除率，为去除废水中的污染物提供了一种有效的策略。

作者简介

第一作者王伟教授

绍兴文理学院教授，博导，从事环境岩土工程、低碳建造技术方面的研究，主持国家自然科学基金 4项，发表第一（通讯）作者论文 80余篇，获授权发明专利50项。获海南省自然科学一等奖、浙江省科技进步二等奖等省部级奖励5项。

赞助基金项目：国家自然科学基金（NSFC，批准号 51372154、20901051 和 52179107）、浙江省自然科学基金（批准号LY21B010005）

文章链接： https://doi.org/10.1007/s44246-024-00174-5