利用植物修复后受污染生物质（芒草）制备生物炭（MBC）以去除刚果红（CR），是避免二次污染并实现废物增值的关键途径。本研究将采自铅锌尾矿修复点的芒草在700°C下热解制备MBC，并评估其对水溶液中CR的去除性能。结果表明，MBC具有209.6 m²·g⁻¹的高比表面积，在318 K下的Langmuir最大吸附容量为187.6 mg·g⁻¹。CR去除过程最符合准二级动力学模型，主要受液膜扩散和颗粒内扩散控制。热力学分析证实该过程为自发、吸热过程。机理研究表明，CR去除由静电吸引、π-π相互作用、氢键、孔隙填充及氧化还原反应协同驱动，其中固有金属物种（ZnO）发挥了显著的催化作用。安全性评估显示，处理后的出水符合地表水质标准（NPI=0.507），且生物炭在三次再生循环后仍保持80%以上的去除效率。该研究为将有害植物修复残留物转化为高性能吸附剂提供了一种新颖、可持续的策略，为尾矿管理和纺织废水处理带来了双重效益。
论文解读：铅锌尾矿修复芒草源生物炭对刚果红的去除潜力
一、研究背景与意义
芒草（Miscanthus ）作为一种高生物量、强重金属耐受性的C4草本植物，被广泛用于矿区及重金属污染土壤的植物修复。然而，修复后富集了重金属的芒草生物质若处置不当（如自然分解），存在重金属再释放的风险，引发二次污染。目前，对修复后芒草的处置方式包括直接作固体燃料、制备液体燃料、金属提取及制备生物炭等。其中，生物炭制备因其工艺相对简单（热解、水热碳化等）且附加值高而更具前景。现有研究多关注芒草生物炭对重金属或阳离子染料的吸附，但对于其源自铅锌尾矿修复点 的特定生物质制备的生物炭，及其对阴离子染料 （如刚果红，CR）的去除潜力与机理研究尚属空白。
有机染料（尤其是阴离子染料）废水对水生生态系统构成严重威胁，包括直接毒性和阻碍水体透光性。因此，开发高效、可持续的吸附剂至关重要。本研究旨在将铅锌尾矿修复点收获的芒草转化为生物炭（MBC），系统评估其对典型阴离子染料CR的吸附性能、机理及处理出水安全性，以期为污染植物生物质的资源化及染料废水治理提供“一石二鸟”的解决方案。相关成果发表于Journal of Hazardous Materials Advances 。
二、主要技术方法概述
研究人员采集广西桂林某铅锌尾矿修复点的芒草，经清洗、自然干燥、切段后，在氮气保护下以5°C·min⁻¹速率升温至700°C并恒温2小时热解制备MBC。通过批次实验（pH 6–12，CR初始浓度50–200 mg·L⁻¹，温度298–318 K）考察吸附性能，利用紫外-可见分光光度计（λ=497 nm）测定浓度。采用伪一级/二级动力学、Elovich模型及液膜扩散、颗粒内扩散模型分析动力学；利用Langmuir、Freundlich、Dubinin–Radushkevich及Temkin模型拟合等温线；通过热力学参数及多种表征（BET、XPS等）揭示机理，并评估出水综合毒性（NPI指数）及生物炭再生性能（三次循环）。
三、研究结果与讨论
1. 材料表征与吸附性能
MBC在700°C热解下获得了209.6 m²·g⁻¹的高比表面积，这为染料分子提供了丰富的吸附位点。批次实验表明，在318 K时，MBC对CR的最大Langmuir吸附容量达到187.6 mg·g⁻¹，显著高于许多常规生物炭材料。吸附容量随温度升高而增加，预示过程可能为吸热反应。
2. 动力学与等温线特征
CR在MBC上的吸附动力学最佳拟合伪二级模型（PSOM），表明其速率受化学吸附机制主导。进一步的扩散模型分析显示，液膜扩散（LFDM）和颗粒内扩散（IpDM）均为速率控制步骤，说明染料分子需先扩散通过液膜，再进入生物炭孔隙内部。等温线数据最符合Langmuir模型，提示吸附主要为单分子层覆盖。Freundlich常数（n >1）表明吸附容易进行，且为优惠吸附。
3. 热力学与机理
热力学参数（ΔG <0，ΔH >0）证实CR的去除是一个自发的吸热过程。机理深度剖析揭示，吸附由多机制协同驱动：
• 物理化学作用 ：包括静电吸引（依赖pH）、π-π相互作用（染料苯环与生物炭石墨化结构）、氢键及孔隙填充。
• 氧化还原与催化 ：源自芒草根部富集的锌以ZnO形式存在于MBC中，对CR的降解起到了显著的催化氧化作用，这是该特定来源生物炭区别于普通生物炭的独特优势。
4. 安全性与再生性
环境安全性评估至关重要。处理后的CR溶液其归一化污染指数（NPI）仅为0.507，符合地表水环境质量标准，表明MBC处理不会引入额外生态风险。此外，MBC展现出良好的再生潜力，经过三次吸附-解吸循环后，其对CR的去除效率仍保持在80%以上，具备实际应用的经济可行性。
四、结论
本研究成功将铅锌尾矿修复点收获的芒草转化为高效生物炭（MBC），证实了其对阴离子染料刚果红（CR）具有优异的吸附能力（q m =187.6 mg·g⁻¹）。吸附过程为自发、吸热的化学吸附主导，受液膜及颗粒内扩散控制。去除机理涵盖静电吸引、π-π作用、氢键、孔填充及ZnO催化的氧化还原反应。处理出水安全且材料可再生。该策略不仅为修复后污染生物质的处置提供了安全出路，也为纺织印染废水处理提供了一种低成本吸附剂，实现了“以废治废”的双重环境效益。
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