稻壳吸附剂协同FeCl2强化处理蜡染废水：重金属与染料高效去除机制及环境安全性评估

本研究系统探讨了稻壳（RH）及其化学改性材料（如NaOH处理NRH、FeCl3处理RHF3）在模拟蜡染（batik）废水处理中的应用效能。重点评估了FeCl2添加剂（RHF2）对多种重金属（Cd、Cr、Cu、Zn）和染料（甲基橙MO、活性黑RB、亚甲蓝MB）的协同去除机制，揭示了其通过形成Fe(OH)2复合物促进共沉淀、增加吸附位点的作用路径。研究证实RHF2在优化条件下对染料及重金属去除率高达97–100%，并显著降低废水毒性（Microtox分析），为中小规模蜡染工业提供了一种低成本、可持续的废水处理方案，符合联合国可持续发展目标（SDGs）6、12、14的要求。

引言背景

印尼蜡染（batik）作为非物质文化遗产，其产业在带来经济效益的同时，也因废水直接排放导致严重的环境问题。蜡染废水中含有高浓度重金属（如Cd、Cr、Cu、Zn）和合成染料，具有生物累积性与毒性，仅5%的工艺用水可回用。现有高级氧化、膜分离等技术成本高昂，难以适用于中小规模企业。稻壳因其高纤维素、硅含量及广泛来源（年产量超1.4亿吨），被视为潜在低成本吸附剂。然而，单一污染物体系的研究难以应对蜡染废水的复杂组分，需开发针对性强化吸附策略。

实验方法与材料

研究通过制备原始稻壳（RH）、NaOH改性稻壳（NRH）及FeCl₃改性稻壳（RHF3），并引入pH调控、聚氯化铝（PAC）和FeCl₂（RHF2）等添加剂，系统评估其对模拟蜡染废水（含MO、RB、MB、Cr⁶⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺及SiO₂）的处理效果。吸附剂通过FTIR、SEM-EDX、BET比表面积及TGA进行表征，吸附机制通过Langmuir和Freundlich等温模型拟合，毒性变化通过Microtox发光细菌（Aliivibrio fischeri）测试评估。

结果与讨论

1. 1.
   吸附剂性能对比：RH、NRH和RHF3在1.0 g/100 mL剂量下对重金属和染料去除效果最佳，但单独使用对甲基橙（MO）去除率低（0%）。RHF3的零电荷点（pH_PZC=4.3）表明其表面正电荷增强，利于阴离子染料吸附。
2. 2.
   添加剂协同效应：FeCl₂添加（RHF2）显著提升去除效率，对MO、RB、MB的去除率分别达97%、100%、97%，对Cd、Cr、Cu、Zn的去除率为99%、99%、88%、98%，并将pH从10.0降至6.5。过量FeCl₂（>0.1 M）会因竞争吸附降低效率。
3. 3.
   机理分析：FTIR显示RHF2暴露后−OH峰（3329 cm⁻¹）强度增加，表明重金属/染料通过氢键和静电作用吸附；SEM-EDX证实Fe（22.31%）、Cr（0.24%）、Cu（0.59%）等元素在稻壳表面富集；BET表明RHF2比表面积（74.5 m²/g）显著高于RH（18.7 m²/g），Fe(OH)₂复合物提供额外活性位点，促进共沉淀。
4. 4.
   环境安全性：Microtox显示RHF2处理后的废水发光响应率从14%（未处理）升至85%，毒性显著降低。尽管TOC因稻壳有机质溶出略有上升，但毒性控制效果符合环境排放要求。
5. 5.
   柱实验验证：连续流实验中RHF2在700 mL内保持高效吸附，Pt-Co浓度低于印尼标准，突破曲线证实其实际应用潜力。

结论与展望

RHF2通过Fe²⁺水解、络合与共沉淀作用，实现了对蜡染废水中多污染物的同步高效去除，且环境风险可控。未来需针对实际废水组分波动、吸附剂再生及长期生态毒性开展深入研究，以推动该技术在蜡染产业集群中的规模化应用。