高雄海洋科技大學董正釱课题组BiorTech: 半叶马尾藻生物炭高效电容去离子去除水中重金属

🎨文献、电子书快速提供、英文论文撰写查重以及语法校对服务，全部免费！快快联系小编（文末二维码添加）。

第一作者：Quoc-Minh Truong,

通讯作者：董正釱

通讯单位：國立高雄海洋科技大學

论文DOI：10.1016/j.biortech.2022.128524

研究背景

在全球范围内，水资源短缺和污染正成为影响当今人们的日益重大的挑战。随着世界工业化程度的提高，人们发现生产电池、电子产品和钢铁的公司废水中含有对水生生物和人类健康有害的重金属。重金属是有问题的，因为它们通过牲畜，农业积累并迅速渗入地下水，污染广泛的区域，特别是难以生物降解的重金属。铜，Cu（II）被认为是重金属中最有害的污染物，因为它对健康有严重影响，如呕吐，癌症和神经系统问题。Cu（II） 也是水中的优先污染物，因为长时间和定期的皮肤接触 Cu 会导致人类的肾脏和肝脏损伤。因此，在排放到环境中之前，将水源中的Cu（II）去除到允许的水平是当今迫切需要的问题。

现在有许多从水源中分离重金属的策略，包括离子交换、膜分离、络合和反渗透。这些常规技术通常会导致低重金属离子浓度下的二次污染、可忽略不计的重金属去除、复杂的操作和高成本。近年来，电容式去离子（CDI）方法因其运营成本低廉，没有二次污染物产品，尤其是其去除重金属的高效性，在水修复领域引起了极大的兴趣。CDI 是一种去离子技术，涉及在两个电极之间施加电压。换句话说，CDI技术是一种电吸附技术，它使用吸附介质和电场的组合来分离离子和电荷载流子。CDI具有多种操作优势，包括减少堵塞可能性，无添加剂需求，最重要的是，低能耗。CDI可以使用0.8-1.6 V的低电压范围从受污染的水中去除废水中的重金属离子。然后可以通过反转电极并将重金属离子驱动回水流来快速更新电极。目前有几种 CDI 电极材料可用于从水源中去除 Cu（II），包括 MOF、氧化石墨烯、聚合物和MXene。然而，这些材料要么缺乏必要的能力，要么价格昂贵，对使用CDI去除水源中的重金属造成了重大障碍。

生物炭是在缺氧环境中通过生物物质热解获得的碳材料。许多先前的研究表明，在CDI中使用由各种生物质来源（包括茄子和椴木）产生的生物炭进行电极制备可显着提高脱盐效率。与其他电极材料相比，生物炭是一种低成本、环保的富碳物质，由于其表面积大和表面官能团的多样性，可以提高重金属去除率。生物炭可以由各种农业废物生产，包括稻草、葡萄藤等。代替农业废物，在生物炭生产过程中成功获得广泛关注的海洋废物之一是藻类，因为它在海洋环境中含量丰富。据我们所知，目前很少有关于使用藻类产生的生物炭制造CDI电极的研究。因此，应开发具有高潜力的藻类生物炭，以达到重金属去除的CDI性能的大幅提高。

本文亮点

• 通过褐藻半叶马尾藻在不同热解温度下的煅烧合成生物炭;

• 研究由马尾藻血叶形成的BAB300、BAB500、BAB700生物炭的性质;

• 通过电吸附等温线和电吸附动力学确定所制备材料的最大电吸附能力;

• 评估参数（初始pH、温度和离子类型）对电吸附效率的影响;

• 探索BAB700的材料可重复使用性和实际应用的可能性;

• 研究BAB700的电吸附机理。

图文导读

图 1.氮气吸附-解吸等温线，（b）孔径分布，（c）循环伏安曲线，以及（d）BAB300、BAB500和BAB700的阳离子交换容量。

图 2.BAB300、BAB500 和 BAB700 的 Zeta 电位。

图3.（a）等温线，（b）Cu（II）电吸附到BAB300，BAB500和BAB700上的动力学。（c）等温线和（d）Cu（（II）在不同温度下电吸附到BAB700上的动力学。（e）pH值对铜（II）电吸附到BAB700上的影响，以及（f）铜（II）在各种重金属下对BAB700电吸附的动力学。实验条件：[重金属] = 10–80 mg·L⁻¹， [NaNO₃] = 0.01 M。

图 4.Cu （II）电吸附到 BAB700 上的主要（a）阴离子和（c）阳离子的等温线。BAB700在主要（b）阴离子和（d）阳离子中的Zeta电位。实验条件：T = 25 °C，[ion] = 0.01 M，[Cu²⁺] = 10–80 mg·L⁻¹。

图 5.（a）自来水、去离子水、河水和海水中铜（II）电吸附到BAB700上的等温线，（b）BAB700用于Cu（II）电吸附的可回收性实验。

总结与展望

本研究在700 °C下对半叶马尾藻来源的生物炭进行了优化，形成了新型BAB700。所制备的生物炭具有优异的Cu（II）电吸附能力（75–120 mg·g−1）在各种条件下。Langmuir模型最好地描述了Cu（II）电吸附过程相对于BAB700表面发生的单层电吸附。物理吸附、离子交换、表面络合、表面沉淀、静电相互作用和金属π相互作用是Cu（II）电吸附的主要机理。BAB700可以去除各种水源中的Cu（II）并多次重复使用，以及不同的重金属，这意味着BAB700由于其独特的功能，将成为未来废水中重金属去除的理想吸附剂。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.128524

往期推荐：

向环材有料投稿，即可在文献电子书直达群享受免费文章查重以及校对服务！

微信加群：

环材有料为广大环境材料开发研究领域的专家学者、研发人员提供信息交流分享平台，我们组建了环境材料热点领域的专业交流群，欢迎广大学者和硕博学生加入。

进群方式：扫下方二维码添加小编为好友，邀请入群。请备注：名字-单位-研究方向。

扫二维码添加小编微信，邀请入群，获得更多资讯