研究背景与意义
重金属污染对生态环境和人类健康构成严重威胁,开发经济高效的修复技术至关重要。生物吸附技术利用废弃生物质(如废弃茶叶)作为吸附剂,兼具低成本、高效率和环境友好性,成为可持续污染治理的研究热点。废弃茶叶富含羧基、羟基等功能基团,通过简单处理即可有效吸附重金属,无需昂贵改性,具有显著应用潜力。然而,其吸附机制(如表面络合、离子交换与沉淀的协同作用)尚未完全阐明,且现有动力学模型(如准一级/二级模型)多基于经验公式,未能真实反映界面反应过程,制约了工艺优化与工程放大。
该研究的科学意义在于:(1)厘清废弃茶叶吸附铜的多机制协同作用,解决了学界对离子交换与表面络合的争议;(2)建立的机理型动力学模型突破了传统经验模型的局限性,为吸附过程设计提供量化依据;(3)推动了废弃资源高值化利用,契合绿色化学与循环经济发展需求。实际应用中,该模型可指导优化pH、浓度等操作参数,提升废弃茶叶在废水处理中的工程效能,对重金属污染治理具有重要实践价值
结论:
本研究开发了一种新型动态生物吸附动力学模型,该模型基于生物吸附剂表面的表面络合与表面沉淀机制构建。废弃茶叶表面络合物的形成被认为包含两个步骤:功能基团的去质子化,以及阳离子生物吸附质与去质子化功能基团的键合。应用该动态生物吸附动力学模型,对废弃茶叶可持续生物吸附剂吸附Cu(II)的过程进行了定量研究。研究发现吸附效能呈现明显的pH依赖性:在酸性条件下(pH<5),随着pH升高,功能基团去质子化程度加深,表面负电荷位点增加,通过络合机制显著促进Cu(II)吸附;在pH=5时达到最大吸附容量;而当pH>5时,由于溶液中Cu²⁺浓度降低及Cu(OH)₂沉淀形成,吸附过程转为由沉淀机制主导。研究表明该整合表面络合与沉淀机制的动力学模型能够准确模拟废弃茶叶对Cu(II)的吸附动力学特征。
所提出的动态生物吸附动力学模型可定量表征表面络合与表面沉淀随pH变化的贡献度,对废弃茶叶吸附Cu(II)的动态动力学过程实现了相关系数0.972以上的精确模拟,验证了模型的适用性。需要强调的是,这种基于生物吸附剂表面真实反应机理建立的动力学模型,优于伪一级、伪二级等经验动力学模型。
图1. 初始Cu(II)浓度对废茶叶去除Cu(II)效果的影响(生物吸附剂用量1 g/L,pH 5,温度298 K)(曲线为动态生物吸附动力学模型的预测结果)
图2. 溶液pH对废茶叶去除Cu(II)的影响(初始Cu(II)浓度50 mg/L,废茶叶投加量1 g/L,温度298 K)(曲线为动态生物吸附动力学模型的预测结果)
图3. 废茶叶投加量和溶液温度对Cu(II)去除效果的影响(实验条件:初始Cu(II)浓度50 mg/L,pH 5)(曲线表示动态生物吸附动力学模型的预测值)
图4. 废茶叶去除Cu(II)的作用机制示意图(图中数字对应正文所述反应编号)
图5. 动态生物吸附动力学模型预测的表面络合情况(实验条件:废茶叶投加量1 g/L,温度298 K):a)初始Cu(II)浓度对表面络合的影响(pH=5);b)溶液pH对表面络合的影响(初始Cu(II)浓度=50 mg/L)
本研究未探讨共存金属离子的影响,但需指出:由于本模型基于废弃茶叶表面实际发生的反应构建(而非经验性的"黑箱"模型),只需在模型中添加共存金属离子的结合反应速率方程即可实现对该因素的逻辑化处理。研究发现这种可持续、生态友好且经济高效的废弃茶叶具有显著生物吸附容量,展现出良好应用前景。虽然本研究未讨论吸附剂再生性能(将作为后续研究方向),但即使再生性能有限也非关键问题,因为废弃茶叶资源丰富且无需昂贵处理即可作为生物吸附剂使用。
文章信息
A novel dynamic biosorption kinetic model based on reactions on the biosorbent surface for biosorption of heavy metal copper by non-living biomass waste tea leaves
Manami Yanaka, Shiori Nagoya, Yoshinori Kawase.
DOI:https://doi.org/10.1016/j.esi.2025.02.001
转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自科爱KeAi科学网博客。
链接地址:https://wap.sciencenet.cn/blog-3496796-1499422.html?mobile=1
收藏