可持续且超稳定的生物炭-羟基磷灰石复合材料，用于协同吸附模拟电镀废水中的Cu(II)和Ni(II)

时间：2026年3月20日

来源：Process Safety and Environmental Protection

编辑推荐：

羟基磷灰石改性磁性生物炭吸附剂对电镀 wastewater 中 Cu(II) 和 Ni(II) 的高效去除及再生研究。采用 KOH 活化酿酒糟制备磁性生物炭（MKBC），通过共沉淀法复合羟基磷灰石（HAP）形成 HAP-MKBC。实验表明 1 mg/mL 剂量下对 Cu(II) 和 Ni(II) 吸附容量分别达 276.15 mg/g 和 189.35 mg/g，七次循环后去除效率仍保持 76%-77%。吸附动力学符合伪二阶模型，表征证实表面富含 –OH、–COOH 和 –PO₄³⁻ 等活性位点，DFT 计算揭示静电吸引、离子交换及表面络合协同作用机制。

郭世云|王斌|陈志菊|文月丽|范茂红|李旭刚|杨浩东|黄伟|阿布利蒂·阿布杜拉

中国山西省太原理工大学环境与生态学院复杂空气污染控制与碳减排重点实验室，晋中市030600

摘要

电镀废水中含有大量重金属，其过量排放已成为全球性问题，对人类健康构成威胁。在本研究中，我们利用酒糟制备了一种稳定且易于再生的碱活化磁性生物炭吸附剂HAP-MKBC。该生物炭通过简单工艺与羟基磷灰石（HAP）进行了改性。使用模拟废水进行批量吸附实验，结果显示，在1 mg/mL的剂量下，Cu(II)和Ni(II)的最大吸附容量分别达到276.15 mg/g和189.35 mg/g。为验证实验结果，我们使用了实际电镀废水，证明了该吸附剂的实际应用可行性。经过七次循环后，Cu(II)和Ni(II)的去除效率仍分别保持在77%和76%。吸附动力学符合伪二级模型，表明化学吸附是主要作用机制。光谱分析显示HAP-MKBC表面存在丰富的活性位点（–OH、–COOH和–PO₄^3-），这有助于高效结合金属离子。XPS、XRD、FTIR和DFT计算表明，吸附过程是通过静电吸引、离子交换、离子沉淀和表面络合作用的协同作用实现的。本研究提出了一种利用酒糟的有效方法，为处理含Cu(II)和Ni(II)的电镀废水提供了有效解决方案。

引言

快速工业化和城市化加剧了人为活动，导致含金属废水的排放量增加，从而使大量重金属离子（HMI）释放到水中（Li等人，2024年）。铜的过量积累可能引发神经行为障碍和肝毒性，而镍的暴露与过敏反应以及鼻癌、肺癌、肾癌和心血管疾病的风险增加有关（Mitra等人，2022年）。这些金属在工业废水中的浓度从几毫克/升到几千毫克/升不等（Mahdi等人，2018年）。目前，废水中的有毒重金属通常通过沉淀法（Han等人，2024年）、络合法（Liu等人，2025a）、电化学处理（Wu等人，2024年）、反渗透（Sakai等人，2025年）、离子交换（Li等人，2022年）和膜分离（Yi等人，2025年）等方法去除。然而，这些传统方法成本高昂、去除效果有限且操作复杂，限制了其大规模应用（Kumar Mondal等人，2024年）。吸附法去除重金属具有高效、操作简便和成本效益高的优点，尤其是当吸附剂价格低廉且可重复使用时（Staszak和Regel-Rosocka，2024年）。

生物炭是通过在限氧条件下热解废弃物生物质制备的，由于其高孔隙率和丰富的官能团而成为一种有效的吸附剂（Qi等人，2024年）。酒糟是中国白酒发酵过程中的主要固体废弃物，会带来气味和渗滤液等问题，但其丰富的有机成分使其成为生产生物炭的经济可行原料（Wei等人，2024年；Xin等人，2022年）。酸或碱活化可以显著提高生物炭的孔隙率、比表面积和表面官能团，从而增强其吸附能力（Pathy等人，2023年）。Tan等人发现，经过KOH改性后，原始生物炭对Ni(II)离子的吸附效率从8 g/L时的不到14%提高到0.75 g/L时的95%（Tan等人，2024年）。

此外，由于粉末状生物炭颗粒较小（Zahedifar等人，2021年），其回收存在挑战，这可能在回收过程中造成不可避免的二次污染。传统的吸附剂分离技术依赖离心分离，但能耗高且不符合环保要求。磁性分离技术不仅能解决这一问题，还能提高生物炭的再利用率（Lohan等人，2023年）。Salem等人开发了一种磁性生物炭-水凝胶珠复合材料（MBA-bead），用于水中的Cu²⁺吸附，在30°C和pH = 5.0条件下达到最大吸附容量234.1 mg/g。使用0.1 M NaOH进行脱附后，MBA-bead在三个循环内的Cu²⁺吸附效率从66.6%下降到55.3%（Salem等人，2023年）。

羟基磷灰石（HAP；Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）是一种磷灰石型钙磷酸盐矿物，可从多种废弃物中提取（例如动物骨头、贝壳和蛋壳）（Biedrzycka和Skwarek，2024年），也可通过化学、物理或联合合成方法制备（Balabadra等人，2024年）。它具有高稳定性、大比表面积、离子交换能力和低成本（Wang等人，2024年）。用HAP改性生物炭不仅可以防止两种材料自聚集，还能充分利用HAP对重金属离子的吸附性能（Chen等人，2021年；Wang等人，2018年）。Zhang等人通过共热解富含钠的Spartina alterniflora（SA）和富含HAP的猪骨（BP）制备了一种复合生物炭（SA-BP-5），其Cu²⁺吸附能力提高了3.57倍（达到74.56 mg·g^-1），且经过五次吸附-脱附循环后仍保持78.0%的吸附能力，表现出优异的重复使用性（Zhang等人，2025年）。

在本研究中，通过KOH活化酒糟热解生物炭，采用共沉淀法进行磁性修饰，并与羟基磷灰石复合，制备出高效且可再生的吸附剂HAP-MKBC。对这种改性材料进行了系统表征，并通过批量实验评估了其在电镀废水中对Ni(II)和Cu(II)的吸附性能。研究系统探讨了初始污染物浓度、吸附剂用量、溶液pH值、接触时间和温度等关键操作参数的影响，重点关注材料的重复使用性和选择性。通过结合吸附前后的表征数据和密度泛函理论（DFT）计算，阐明了Ni(II)和Cu(II)的界面相互作用和吸附机制。

材料与试剂

生物炭的原料——酒糟颗粒来自中国山西省的一家酿酒厂。所有化学试剂和其他相关信息详见补充材料。

BC、MKBC、HAP-MKBC的制备

酒糟颗粒用超纯水洗涤后过筛并在105℃下干燥，然后在600℃下热解90分钟。所得固体研磨至80目并标记为BC。将BC与氢氧化钾（KOH）粉末按1:1的质量比混合后进行热解

材料特性

使用SEM研究了Ni(Ⅱ)阳离子吸附前后HAP-MKBC的表面形态和结构特征（见图1a–f）。未经改性的HAP-MKBC具有粗糙的多孔结构，磁性生物炭表面分布着均匀的HAP颗粒（见图1a–c, g, h）。这种松散的结构提供了丰富的活性位点，有利于金属离子的扩散。吸附后（见图1d–f），表面变得更为致密和平滑，部分孔隙发生变化

吸附机制

通过表征方法和密度泛函理论（DFT）全面分析了HAP-MKBC与Cu(Ⅱ)/Ni(Ⅱ)之间的相互作用机制。吸附前后的SEM图像（见图1d）以及吸附后的比表面积降低（见表1）表明，污染物有效地被捕获并固定在HAP-MKBC的孔结构和表面上（Liao等人，2023年），这可能是由于孔隙填充作用。

FTIR光谱用于进一步分析

结论

酒糟是一种丰富的可再生资源，具有作为生物炭原料的巨大潜力。本研究通过多步改性工艺制备了磁性羟基磷灰石-生物炭复合材料HAP-MKBC，并系统研究了其在水介质中对Cu(II)和Ni(II)的吸附性能和去除机制。HAP-MKBC表现出优异的吸附性能，Cu(II)的最大吸附容量达到276.15 mg/g

作者贡献声明

范茂红：撰写、审稿与编辑、监督。李旭刚：软件处理、实验研究。郭世云：撰写、初稿撰写、数据整理、概念构思。王斌：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。陈志菊：软件处理、实验研究。文月丽：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、资金获取。黄伟：监督、资源协调。阿布利蒂·阿布杜拉：监督。杨浩东：软件处理、实验研究。