Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)水體中Cr(Ⅵ)的吸附效能與機(jī)制探究一、引言1.1研究背景隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，重金屬污染已成為全球面臨的嚴(yán)峻環(huán)境問(wèn)題之一，其中Cr(Ⅵ)污染因其高毒性和生物累積性而備受關(guān)注。鉻（Cr）化合物是制革、電鍍、冶金、顏料、印染以及紡織品生產(chǎn)等行業(yè)不可或缺的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于皮革鞣制、金屬加工電鍍、磁帶和顏料生產(chǎn)、電氣或電子設(shè)備以及催化等領(lǐng)域，這使得大量含Cr廢水被排放到環(huán)境中。在這些廢水中，Cr主要以三價(jià)鉻（Cr（Ⅲ））和六價(jià)鉻（Cr（Ⅵ））兩種形式存在。Cr（Ⅲ）在水中溶解度較小，不易擴(kuò)散，在pH>5時(shí)易形成沉淀，毒性較小，是人體必需的微量元素之一。然而，Cr（Ⅵ）卻具有截然不同的特性，它具有強(qiáng)氧化性、致癌性和高毒性，其毒性約為Cr（Ⅲ）的100倍。Cr(Ⅵ)的強(qiáng)氧化性使其能夠與生物體內(nèi)的多種生物分子發(fā)生反應(yīng)，破壞細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)和功能。長(zhǎng)期接觸或攝入含Cr(Ⅵ)的物質(zhì)，會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重威脅，引發(fā)如支氣管炎、哮喘、皮膚潰爛、急性腎衰竭等多種疾病。美國(guó)環(huán)保署（EPA）將Cr(Ⅵ)列為首要治理的污染物之一，國(guó)家生態(tài)環(huán)境部也將其列為一類(lèi)污染物，并規(guī)定工業(yè)廢水中Cr(Ⅵ)的最高允許排放濃度為0.5mg?L?1。此外，Cr(Ⅵ)易溶于水，在水中主要以CrO?2?和Cr?O?2?的形式存在，難以形成沉淀除去，也難以自然分解，具有很強(qiáng)的流動(dòng)性和很長(zhǎng)的污染周期。它可以通過(guò)水體、土壤等環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行遷移和擴(kuò)散，不僅會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性影響，導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)、浮游生物、底棲動(dòng)物等的數(shù)量減少，破壞水生態(tài)平衡，還可能通過(guò)食物鏈的富集作用進(jìn)入人體，進(jìn)一步危害人體健康。水體作為人類(lèi)生活和生態(tài)系統(tǒng)的重要資源，Cr(Ⅵ)對(duì)其造成的污染問(wèn)題亟待解決。目前，含Cr(Ⅵ)廢水的無(wú)害化處理方法主要分為物理法和化學(xué)法。物理法如吸附沉淀法、離子交換法和膜分離法等，是利用具有高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)的生物炭、有機(jī)聚合物以及氧化石墨烯等吸附劑來(lái)吸附Cr(Ⅵ)，或使用具有Cr(Ⅵ)選擇透過(guò)性的殼聚糖和聚乙烯醇等滲透膜將其從水體中分離。這些方法操作簡(jiǎn)單、工藝成熟，但并沒(méi)有從根本上對(duì)Cr(Ⅵ)進(jìn)行徹底解毒，仍然存在危害人類(lèi)健康和污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，且沉淀劑和滲透膜制備工藝復(fù)雜、成本較高且易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染?；瘜W(xué)法如試劑還原法、電化學(xué)還原法、微生物還原法和催化還原法等，是利用亞硫酸鹽等還原性試劑、電化學(xué)反應(yīng)、生物降解作用和催化反應(yīng)等將Cr(Ⅵ)還原為毒性較弱且易形成沉淀的Cr(Ⅲ)，是對(duì)Cr(Ⅵ)進(jìn)行徹底解毒的有效途徑，但部分化學(xué)法存在反應(yīng)條件苛刻、處理成本高或產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題。生物炭作為一種具有獨(dú)特性能的材料，因其較高的比表面積、良好的吸附性能及較低的制備成本等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于水體凈化、土壤修復(fù)和改良。然而，原始生物炭的性質(zhì)受其原材料、碳化條件等因素的影響，在吸附Cr(Ⅵ)時(shí)存在一定的局限性。為了提高生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能，對(duì)生物炭進(jìn)行改性成為研究的熱點(diǎn)之一。其中，F(xiàn)e改性生物炭因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在Cr(Ⅵ)吸附方面展現(xiàn)出潛在的優(yōu)勢(shì)。鐵元素具有多種價(jià)態(tài)，能夠參與氧化還原反應(yīng)，可能與Cr(Ⅵ)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而提高對(duì)Cr(Ⅵ)的去除效果。同時(shí)，鐵的引入還可能改變生物炭的表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，增加其吸附位點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附能力。紫莖澤蘭是一種全球性的惡性入侵雜草，繁殖迅速，于20世紀(jì)40年代傳入中國(guó)，目前已廣泛分布于中國(guó)西南部的云南、貴州、四川、重慶、廣西和臺(tái)灣等地。它的入侵導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，生物多樣性和土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成重大損失。將紫莖澤蘭制備成生物炭，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這種入侵植物的資源化利用，減少其對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害，還能為生物炭的制備提供豐富的原材料。利用Fe改性紫莖澤蘭生物炭處理水體中的Cr(Ⅵ)，既可以解決Cr(Ⅵ)污染水體的治理問(wèn)題，又能實(shí)現(xiàn)紫莖澤蘭的資源化利用，具有重要的環(huán)境意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，開(kāi)展Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)水體中Cr(Ⅵ)的吸附研究具有迫切性和必要性。1.2研究目的與意義1.2.1研究目的本研究旨在深入探究Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)水體中Cr(Ⅵ)的吸附性能及作用機(jī)制，具體研究目標(biāo)如下：優(yōu)化Fe改性紫莖澤蘭生物炭的制備工藝，通過(guò)考察不同F(xiàn)e負(fù)載量、改性溫度、改性時(shí)間等因素，確定最佳制備條件，以獲得對(duì)Cr(Ⅵ)具有高效吸附性能的改性生物炭。系統(tǒng)研究Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附特性，分析吸附過(guò)程中的影響因素，如溶液pH值、Cr(Ⅵ)初始濃度、吸附時(shí)間、吸附劑用量等，明確各因素對(duì)吸附效果的影響規(guī)律。運(yùn)用多種現(xiàn)代分析技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、X射線光電子能譜（XPS）等，對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭的表面形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行表征，深入探討其對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附機(jī)制，包括物理吸附和化學(xué)吸附過(guò)程。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，評(píng)估Fe改性紫莖澤蘭生物炭與原始紫莖澤蘭生物炭以及其他傳統(tǒng)吸附劑對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能差異，突出Fe改性紫莖澤蘭生物炭在處理Cr(Ⅵ)污染水體方面的優(yōu)勢(shì)。1.2.2研究意義本研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：理論意義：深入揭示Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附機(jī)制，豐富和完善生物炭吸附重金屬離子的理論體系，為生物炭在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，研究Fe改性對(duì)生物炭結(jié)構(gòu)和性能的影響，有助于進(jìn)一步理解改性生物炭的作用原理，為開(kāi)發(fā)新型高效的吸附材料提供理論指導(dǎo)。實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：解決Cr(Ⅵ)污染問(wèn)題：為含Cr(Ⅵ)廢水的處理提供一種高效、低成本、環(huán)境友好的吸附材料和處理方法。通過(guò)吸附作用將水體中的Cr(Ⅵ)去除，降低其濃度至安全排放標(biāo)準(zhǔn)以下，從而減少Cr(Ⅵ)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康的危害，保護(hù)水資源和生態(tài)平衡。實(shí)現(xiàn)紫莖澤蘭的資源化利用：將惡性入侵雜草紫莖澤蘭轉(zhuǎn)化為具有實(shí)用價(jià)值的生物炭材料，不僅可以有效減少紫莖澤蘭對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，還能實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，變廢為寶，具有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。推動(dòng)生物炭技術(shù)的發(fā)展：Fe改性紫莖澤蘭生物炭的研究成果可為生物炭的改性和應(yīng)用提供新的思路和方法，促進(jìn)生物炭技術(shù)在環(huán)境治理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1水體中Cr(Ⅵ)處理方法研究目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)水體中Cr(Ⅵ)的處理方法開(kāi)展了大量研究，主要分為物理法、化學(xué)法和生物法。物理法中，吸附沉淀法是利用吸附劑的高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)來(lái)吸附Cr(Ⅵ)。常用的吸附劑包括活性炭、沸石、膨潤(rùn)土等。研究表明，活性炭對(duì)Cr(Ⅵ)具有較好的吸附性能，其吸附量受活性炭的比表面積、孔徑分布、表面官能團(tuán)等因素影響。離子交換法是利用離子交換樹(shù)脂與Cr(Ⅵ)進(jìn)行離子交換，從而達(dá)到去除Cr(Ⅵ)的目的。離子交換樹(shù)脂對(duì)Cr(Ⅵ)的選擇性和交換容量是影響其去除效果的關(guān)鍵因素。膜分離法如反滲透、納濾等，是利用半透膜的選擇透過(guò)性將Cr(Ⅵ)從水體中分離出來(lái)。膜的性能、操作條件等對(duì)膜分離效果有重要影響。然而，物理法存在一些局限性，如吸附劑的再生問(wèn)題、離子交換樹(shù)脂的成本較高以及膜污染等，這些問(wèn)題限制了物理法的廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)法主要包括試劑還原法、電化學(xué)還原法和催化還原法等。試劑還原法是利用亞硫酸鹽、亞鐵鹽等還原性試劑將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)。該方法反應(yīng)速度較快，但會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，需要后續(xù)處理。電化學(xué)還原法是在電場(chǎng)作用下，通過(guò)電極反應(yīng)將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)。電極材料、電流密度、溶液pH值等因素對(duì)電化學(xué)還原效果有顯著影響。催化還原法是利用催化劑的催化作用，加速Cr(Ⅵ)的還原反應(yīng)。常見(jiàn)的催化劑有貴金屬催化劑、過(guò)渡金屬氧化物催化劑等?；瘜W(xué)法雖然能夠有效去除Cr(Ⅵ)，但部分方法存在反應(yīng)條件苛刻、成本高或產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題。生物法主要包括微生物還原法和植物修復(fù)法。微生物還原法是利用微生物的代謝作用將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)。一些細(xì)菌、真菌等微生物能夠在細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外將Cr(Ⅵ)還原。微生物的種類(lèi)、生長(zhǎng)環(huán)境等因素對(duì)其還原Cr(Ⅵ)的能力有重要影響。植物修復(fù)法是利用植物對(duì)Cr(Ⅵ)的吸收、富集和轉(zhuǎn)化作用來(lái)去除水體中的Cr(Ⅵ)。一些超富集植物如李氏禾、印度芥菜等對(duì)Cr(Ⅵ)具有較強(qiáng)的耐受和富集能力。生物法具有環(huán)境友好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在處理周期長(zhǎng)、受環(huán)境因素影響大等缺點(diǎn)。1.3.2紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)研究紫莖澤蘭作為一種惡性入侵雜草，將其制備成生物炭用于吸附水體中的Cr(Ⅵ)，近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。紫莖澤蘭生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)，這些特性使其對(duì)Cr(Ⅵ)具有一定的吸附能力。研究發(fā)現(xiàn)，紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Langmuir等溫吸附模型，表明化學(xué)吸附和單分子層吸附是主要的吸附機(jī)制。溶液pH值對(duì)紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影響較大，在酸性條件下，生物炭表面帶正電荷，有利于與帶負(fù)電荷的Cr(Ⅵ)發(fā)生靜電吸附作用。隨著pH值的升高，生物炭表面的負(fù)電荷逐漸增多，與Cr(Ⅵ)之間的靜電斥力增大，吸附量降低。此外，Cr(Ⅵ)初始濃度、吸附時(shí)間、吸附劑用量等因素也會(huì)影響紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附效果。在一定范圍內(nèi)，隨著Cr(Ⅵ)初始濃度的增加，吸附量逐漸增大；吸附時(shí)間延長(zhǎng)，吸附量先快速增加，然后逐漸趨于平衡；增加吸附劑用量，單位質(zhì)量吸附劑對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量降低，但總的吸附量增加。然而，原始紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附容量相對(duì)較低，限制了其實(shí)際應(yīng)用。1.3.3改性生物炭吸附Cr(Ⅵ)研究為了提高生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量關(guān)于改性生物炭的研究。改性方法主要包括物理改性、化學(xué)改性和生物改性等。物理改性通常采用高溫?zé)崽幚怼⒊暡ㄌ幚淼确椒?，改變生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面形貌，從而提高其比表面積和吸附性能。化學(xué)改性則是通過(guò)引入化學(xué)試劑，如酸堿處理、氧化還原處理、負(fù)載金屬離子等，改變生物炭表面的化學(xué)組成和官能團(tuán)，增強(qiáng)其對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附能力。生物改性是利用微生物或酶對(duì)生物炭進(jìn)行處理，使其表面產(chǎn)生特定的生物活性物質(zhì)，提高吸附性能。在化學(xué)改性中，負(fù)載金屬離子是一種常用的方法。研究表明，負(fù)載鐵、錳、鋅等金屬離子的生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能明顯優(yōu)于原始生物炭。鐵元素具有多種價(jià)態(tài)，能夠參與氧化還原反應(yīng)，負(fù)載鐵離子的生物炭不僅可以通過(guò)物理吸附作用去除Cr(Ⅵ)，還能通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)，從而提高對(duì)Cr(Ⅵ)的去除效果。錳氧化物具有較高的氧化還原活性，負(fù)載錳離子的生物炭可以利用錳氧化物的氧化能力將Cr(Ⅲ)氧化為Cr(Ⅵ)，然后再通過(guò)吸附作用去除。此外，負(fù)載金屬離子還可以改變生物炭的表面電荷性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)，增加吸附位點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附能力。不同的金屬離子負(fù)載量、改性條件等對(duì)改性生物炭的吸附性能有顯著影響。在優(yōu)化的改性條件下，負(fù)載金屬離子的生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附容量可以達(dá)到原始生物炭的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。然而，目前關(guān)于Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)水體中Cr(Ⅵ)的吸附研究還相對(duì)較少，其吸附性能和作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入探究。1.4研究?jī)?nèi)容與方法1.4.1研究?jī)?nèi)容Fe改性紫莖澤蘭生物炭的制備：以紫莖澤蘭為原料，采用浸漬法負(fù)載鐵元素，制備Fe改性紫莖澤蘭生物炭。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，考察Fe負(fù)載量（如5%、10%、15%、20%、25%）、改性溫度（如300℃、400℃、500℃、600℃、700℃）、改性時(shí)間（如1h、2h、3h、4h、5h）等因素對(duì)生物炭制備的影響，確定最佳制備工藝條件。Fe改性紫莖澤蘭生物炭的表征：運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察生物炭的表面形貌，分析其孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒形態(tài)；利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）檢測(cè)生物炭表面的官能團(tuán)種類(lèi)和變化，確定參與吸附反應(yīng)的官能團(tuán)；采用X射線光電子能譜（XPS）分析生物炭表面元素的化學(xué)狀態(tài)和含量，探究鐵元素在生物炭表面的存在形式以及Cr(Ⅵ)吸附前后元素的變化情況；通過(guò)比表面積分析儀（BET）測(cè)定生物炭的比表面積、孔徑分布等參數(shù)，評(píng)估改性對(duì)生物炭孔隙結(jié)構(gòu)的影響。Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能研究：研究溶液pH值（如2、3、4、5、6、7、8、9、10）、Cr(Ⅵ)初始濃度（如10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L）、吸附時(shí)間（如0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、8h、10h、12h）、吸附劑用量（如0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g）等因素對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)性能的影響。通過(guò)吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，探討吸附過(guò)程的速率控制步驟，選擇合適的動(dòng)力學(xué)模型（如準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型等）對(duì)吸附過(guò)程進(jìn)行擬合；通過(guò)吸附等溫線實(shí)驗(yàn)，研究吸附劑與吸附質(zhì)之間的相互作用，選擇合適的等溫線模型（如Langmuir模型、Freundlich模型、Temkin模型等）對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附機(jī)制分析：結(jié)合生物炭的表征結(jié)果和吸附性能研究數(shù)據(jù)，從物理吸附和化學(xué)吸附兩個(gè)方面探討Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附機(jī)制。物理吸附方面，分析生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積等對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附作用；化學(xué)吸附方面，研究生物炭表面的官能團(tuán)、鐵元素與Cr(Ⅵ)之間的化學(xué)反應(yīng)，如氧化還原反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)等，確定主要的吸附機(jī)制。對(duì)比實(shí)驗(yàn)：將Fe改性紫莖澤蘭生物炭與原始紫莖澤蘭生物炭以及其他傳統(tǒng)吸附劑（如活性炭、沸石等）進(jìn)行對(duì)比，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，考察它們對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能差異，評(píng)估Fe改性紫莖澤蘭生物炭在處理Cr(Ⅵ)污染水體方面的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。1.4.2研究方法實(shí)驗(yàn)材料與儀器：紫莖澤蘭采自[具體地點(diǎn)]，經(jīng)清洗、干燥、粉碎后備用；硝酸鐵、重鉻酸鉀等化學(xué)試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。主要儀器包括馬弗爐、恒溫振蕩器、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜儀、X射線光電子能譜儀、比表面積分析儀等。Fe改性紫莖澤蘭生物炭的制備方法：稱(chēng)取一定量的紫莖澤蘭粉末，加入一定濃度的硝酸鐵溶液，使Fe負(fù)載量達(dá)到設(shè)定值，攪拌均勻后，在室溫下浸漬一定時(shí)間。然后將混合物轉(zhuǎn)移至坩堝中，放入馬弗爐中，在設(shè)定的改性溫度下熱解一定時(shí)間。熱解結(jié)束后，自然冷卻至室溫，取出生物炭，用去離子水反復(fù)沖洗至濾液中無(wú)鐵離子檢出，再將生物炭烘干備用。生物炭的表征方法：SEM分析時(shí)，將生物炭樣品噴金處理后，在掃描電子顯微鏡下觀察其表面形貌；FTIR分析時(shí)，將生物炭與KBr混合壓片，在傅里葉變換紅外光譜儀上進(jìn)行掃描，掃描范圍為400-4000cm?1；XPS分析時(shí)，采用X射線光電子能譜儀對(duì)生物炭表面元素進(jìn)行分析；BET分析時(shí)，采用比表面積分析儀，通過(guò)氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)測(cè)定生物炭的比表面積、孔徑分布等參數(shù)。吸附實(shí)驗(yàn)方法：準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量的Fe改性紫莖澤蘭生物炭放入具塞錐形瓶中，加入一定體積和濃度的Cr(Ⅵ)溶液，調(diào)節(jié)溶液pH值至設(shè)定值。將錐形瓶放入恒溫振蕩器中，在設(shè)定的溫度和轉(zhuǎn)速下振蕩一定時(shí)間。振蕩結(jié)束后，取出錐形瓶，離心分離，取上清液，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定溶液中Cr(Ⅵ)的濃度，根據(jù)吸附前后Cr(Ⅵ)濃度的變化計(jì)算吸附量和去除率。數(shù)據(jù)分析方法：采用Origin、SPSS等軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制圖表，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)性分析。通過(guò)擬合吸附動(dòng)力學(xué)模型和吸附等溫線模型，確定模型參數(shù)，評(píng)估模型的擬合優(yōu)度，從而深入分析吸附過(guò)程和機(jī)制。二、實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1實(shí)驗(yàn)材料紫莖澤蘭采自[具體采集地點(diǎn)]，采集后將其表面的泥土、雜質(zhì)等用清水沖洗干凈，隨后放置在通風(fēng)良好、陽(yáng)光充足的地方自然風(fēng)干，待水分充分蒸發(fā)后，利用粉碎機(jī)將其粉碎至一定粒度，過(guò)[X]目篩，得到均勻的紫莖澤蘭粉末，裝入密封袋中備用。選用硝酸鐵（Fe(NO?)??9H?O）作為含鐵化合物，用于對(duì)紫莖澤蘭生物炭進(jìn)行改性。硝酸鐵為分析純?cè)噭兌雀?，能夠保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。其在實(shí)驗(yàn)中的作用是提供鐵元素，通過(guò)浸漬法負(fù)載到紫莖澤蘭生物炭上，改變生物炭的物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響其對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能。實(shí)驗(yàn)中所需的化學(xué)試劑還包括重鉻酸鉀（K?Cr?O?），用于配制Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液。重鉻酸鉀同樣為分析純，其純度不低于99.8%，以確保所配制的Cr(Ⅵ)溶液濃度準(zhǔn)確，為后續(xù)的吸附實(shí)驗(yàn)提供可靠的實(shí)驗(yàn)條件。此外，還用到了鹽酸（HCl）、氫氧化鈉（NaOH）、硫酸（H?SO?）、磷酸（H?PO?）、二苯碳酰二肼（C??H??N?O）等試劑。鹽酸和氫氧化鈉用于調(diào)節(jié)溶液的pH值，在研究溶液pH值對(duì)吸附性能的影響實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。硫酸和磷酸用于消解樣品，以便后續(xù)對(duì)樣品中的元素進(jìn)行分析檢測(cè)。二苯碳酰二肼則作為顯色劑，在利用分光光度法測(cè)定溶液中Cr(Ⅵ)濃度時(shí)，與Cr(Ⅵ)發(fā)生顯色反應(yīng)，生成紫紅色絡(luò)合物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Cr(Ⅵ)濃度的定量測(cè)定。這些化學(xué)試劑均為分析純，購(gòu)自[試劑供應(yīng)商名稱(chēng)]，在使用前需檢查其純度和有效期，確保符合實(shí)驗(yàn)要求。2.2實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)中使用了多種儀器，它們?cè)趯?shí)驗(yàn)的不同環(huán)節(jié)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，確保了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。電子天平（精度為0.0001g，型號(hào)[具體型號(hào)]）用于精確稱(chēng)量紫莖澤蘭粉末、硝酸鐵、重鉻酸鉀以及其他化學(xué)試劑的質(zhì)量。在生物炭制備過(guò)程中，準(zhǔn)確稱(chēng)取紫莖澤蘭粉末和硝酸鐵，保證Fe負(fù)載量的準(zhǔn)確性；在配制Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)，精確稱(chēng)量重鉻酸鉀，確保溶液濃度的精確性，為后續(xù)吸附實(shí)驗(yàn)提供可靠的基礎(chǔ)。馬弗爐（最高溫度可達(dá)[X]℃，型號(hào)[具體型號(hào)]）用于對(duì)負(fù)載鐵元素后的紫莖澤蘭粉末進(jìn)行熱解處理，以制備Fe改性紫莖澤蘭生物炭。通過(guò)設(shè)定不同的改性溫度和時(shí)間，探究其對(duì)生物炭性能的影響，確定最佳制備條件。其穩(wěn)定的溫度控制性能，保證了熱解過(guò)程的一致性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。恒溫振蕩器（振蕩頻率范圍為[X]-[X]r/min，溫度控制精度為±0.1℃，型號(hào)[具體型號(hào)]）用于吸附實(shí)驗(yàn)。在一定溫度和振蕩速度下，使Fe改性紫莖澤蘭生物炭與Cr(Ⅵ)溶液充分接觸，模擬實(shí)際吸附過(guò)程，研究吸附時(shí)間、溶液pH值、Cr(Ⅵ)初始濃度等因素對(duì)吸附性能的影響。其精準(zhǔn)的溫度和振蕩頻率控制，為吸附實(shí)驗(yàn)提供了穩(wěn)定的反應(yīng)條件。掃描電子顯微鏡（SEM，分辨率可達(dá)[X]nm，型號(hào)[具體型號(hào)]）用于觀察Fe改性紫莖澤蘭生物炭的表面形貌，分析其孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒形態(tài)。通過(guò)SEM圖像，可以直觀地了解生物炭的微觀結(jié)構(gòu)，為研究吸附機(jī)制提供重要的微觀信息，探究改性前后生物炭表面結(jié)構(gòu)的變化以及這些變化對(duì)Cr(Ⅵ)吸附的影響。傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，波數(shù)范圍為400-4000cm?1，分辨率為[X]cm?1，型號(hào)[具體型號(hào)]）用于檢測(cè)生物炭表面的官能團(tuán)種類(lèi)和變化。通過(guò)分析FTIR光譜圖，確定參與吸附反應(yīng)的官能團(tuán)，研究吸附前后生物炭表面官能團(tuán)的變化，從而深入了解Fe改性紫莖澤蘭生物炭與Cr(Ⅵ)之間的相互作用機(jī)制。X射線光電子能譜儀（XPS，能量分辨率可達(dá)[X]eV，型號(hào)[具體型號(hào)]）用于分析生物炭表面元素的化學(xué)狀態(tài)和含量。通過(guò)XPS分析，可以確定鐵元素在生物炭表面的存在形式，以及Cr(Ⅵ)吸附前后生物炭表面元素的化學(xué)狀態(tài)和含量變化，為揭示吸附機(jī)制提供重要的元素化學(xué)信息。比表面積分析儀（BET，測(cè)量精度為±[X]%，型號(hào)[具體型號(hào)]）用于測(cè)定Fe改性紫莖澤蘭生物炭的比表面積、孔徑分布等參數(shù)。通過(guò)BET分析，評(píng)估改性對(duì)生物炭孔隙結(jié)構(gòu)的影響，了解生物炭的比表面積和孔徑分布與Cr(Ⅵ)吸附性能之間的關(guān)系。紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（波長(zhǎng)范圍為[X]-[X]nm，波長(zhǎng)精度為±[X]nm，型號(hào)[具體型號(hào)]）用于測(cè)定溶液中Cr(Ⅵ)的濃度。在吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)分光光度法測(cè)定上清液中Cr(Ⅵ)的濃度，根據(jù)吸附前后Cr(Ⅵ)濃度的變化計(jì)算吸附量和去除率，為評(píng)估Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能提供數(shù)據(jù)支持。離心機(jī)（最高轉(zhuǎn)速可達(dá)[X]r/min，型號(hào)[具體型號(hào)]）用于吸附實(shí)驗(yàn)后的固液分離。在吸附反應(yīng)結(jié)束后，通過(guò)離心作用使生物炭與溶液快速分離，以便后續(xù)對(duì)上清液中Cr(Ⅵ)濃度的測(cè)定，保證實(shí)驗(yàn)操作的高效性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。pH計(jì)（精度為±0.01pH，型號(hào)[具體型號(hào)]）用于準(zhǔn)確測(cè)量溶液的pH值。在吸附實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH值，研究其對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)性能的影響，確保實(shí)驗(yàn)條件的精確控制。2.3紫莖澤蘭生物炭的制備將預(yù)處理好的紫莖澤蘭粉末按照一定比例與硝酸鐵溶液混合，采用浸漬法進(jìn)行鐵元素的負(fù)載。具體操作如下：根據(jù)設(shè)定的Fe負(fù)載量，準(zhǔn)確稱(chēng)取適量的硝酸鐵，將其溶解于去離子水中，配制成一定濃度的硝酸鐵溶液。然后，將稱(chēng)取的紫莖澤蘭粉末加入到硝酸鐵溶液中，確保紫莖澤蘭粉末能夠充分接觸硝酸鐵溶液。在室溫下，使用磁力攪拌器以[X]r/min的轉(zhuǎn)速攪拌[X]h，使硝酸鐵溶液均勻地浸漬到紫莖澤蘭粉末中。攪拌結(jié)束后，將混合物放置在室溫下靜置浸漬[X]h，使鐵離子充分吸附在紫莖澤蘭粉末表面。將浸漬后的紫莖澤蘭粉末連同溶液一起轉(zhuǎn)移至坩堝中，放入馬弗爐中進(jìn)行熱解炭化。在熱解過(guò)程中，先以5℃/min的升溫速率將馬弗爐溫度從室溫升至105℃，并在此溫度下保持1h，以去除紫莖澤蘭粉末中的水分。然后，繼續(xù)以5℃/min的升溫速率將溫度升至設(shè)定的改性溫度（如300℃、400℃、500℃、600℃、700℃），并在該溫度下熱解一定時(shí)間（如1h、2h、3h、4h、5h）。熱解結(jié)束后，關(guān)閉馬弗爐電源，讓坩堝在馬弗爐內(nèi)自然冷卻至室溫。待冷卻后，取出坩堝中的生物炭，用去離子水反復(fù)沖洗，直至沖洗液中無(wú)鐵離子檢出，以去除生物炭表面殘留的硝酸鐵及其他雜質(zhì)。將沖洗后的生物炭放入烘箱中，在105℃下烘干至恒重，得到Fe改性紫莖澤蘭生物炭。將制備好的生物炭裝入密封袋中，置于干燥器中保存，備用。2.4Fe改性紫莖澤蘭生物炭的制備采用浸漬法對(duì)紫莖澤蘭生物炭進(jìn)行Fe改性，具體過(guò)程如下：稱(chēng)取5.0g過(guò)篩后的紫莖澤蘭粉末，置于250mL的燒杯中。根據(jù)設(shè)定的Fe負(fù)載量（如5%、10%、15%、20%、25%），準(zhǔn)確量取一定體積、濃度的硝酸鐵溶液加入燒杯中。例如，當(dāng)Fe負(fù)載量為10%時(shí)，根據(jù)硝酸鐵（Fe(NO?)??9H?O）的分子量及鐵元素的含量，計(jì)算并量取適量的硝酸鐵溶液。使用磁力攪拌器，以200r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2h，使硝酸鐵溶液均勻地浸漬到紫莖澤蘭粉末中。隨后，將燒杯用保鮮膜密封，放置在室溫下靜置浸漬12h，確保鐵離子充分吸附在紫莖澤蘭粉末表面。將浸漬后的紫莖澤蘭粉末連同溶液一起轉(zhuǎn)移至坩堝中，放入馬弗爐中進(jìn)行熱解炭化。在熱解過(guò)程中，先以5℃/min的升溫速率將馬弗爐溫度從室溫升至105℃，并在此溫度下保持1h，以充分去除紫莖澤蘭粉末中的水分。接著，繼續(xù)以5℃/min的升溫速率將溫度升至設(shè)定的改性溫度（如300℃、400℃、500℃、600℃、700℃）。待溫度達(dá)到設(shè)定值后，在該溫度下熱解一定時(shí)間（如1h、2h、3h、4h、5h）。熱解結(jié)束后，關(guān)閉馬弗爐電源，讓坩堝在馬弗爐內(nèi)自然冷卻至室溫。待冷卻后，取出坩堝中的生物炭，將其轉(zhuǎn)移至250mL的燒杯中，加入100mL去離子水，使用磁力攪拌器攪拌15min，然后以4000r/min的轉(zhuǎn)速離心10min，棄去上清液。重復(fù)此洗滌過(guò)程，直至沖洗液中無(wú)鐵離子檢出，可采用硫氰酸鉀（KSCN）溶液檢驗(yàn)上清液，若加入KSCN溶液后上清液不變紅，則表明無(wú)鐵離子殘留。將沖洗后的生物炭放入烘箱中，在105℃下烘干至恒重，得到Fe改性紫莖澤蘭生物炭。將制備好的生物炭裝入密封袋中，置于干燥器中保存，備用。為了確定最佳的改性條件，進(jìn)行了一系列單因素實(shí)驗(yàn)。首先考察Fe負(fù)載量對(duì)生物炭吸附性能的影響，固定改性溫度為500℃，改性時(shí)間為3h，分別制備Fe負(fù)載量為5%、10%、15%、20%、25%的Fe改性紫莖澤蘭生物炭。然后在相同的吸附條件下，研究這些生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能。結(jié)果表明，隨著Fe負(fù)載量的增加，生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量先增加后減少，當(dāng)Fe負(fù)載量為15%時(shí)，吸附量達(dá)到最大值。這可能是因?yàn)檫m量的鐵負(fù)載可以增加生物炭表面的活性位點(diǎn)和吸附能力，但過(guò)高的負(fù)載量可能導(dǎo)致鐵的團(tuán)聚，反而降低了吸附性能。接著考察改性溫度對(duì)生物炭吸附性能的影響，固定Fe負(fù)載量為15%，改性時(shí)間為3h，分別在300℃、400℃、500℃、600℃、700℃下制備Fe改性紫莖澤蘭生物炭。吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著改性溫度的升高，生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量先增大后減小，在500℃時(shí)吸附效果最佳。這是因?yàn)檫m當(dāng)提高溫度可以改善生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)其吸附性能，但溫度過(guò)高會(huì)破壞生物炭的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸附性能下降。最后考察改性時(shí)間對(duì)生物炭吸附性能的影響，固定Fe負(fù)載量為15%，改性溫度為500℃，分別在1h、2h、3h、4h、5h的改性時(shí)間下制備Fe改性紫莖澤蘭生物炭。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著改性時(shí)間的延長(zhǎng)，生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量逐漸增加，在3h時(shí)達(dá)到較好的吸附效果，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，吸附量增加不明顯。這說(shuō)明在一定時(shí)間內(nèi)，延長(zhǎng)改性時(shí)間有利于鐵元素與生物炭的結(jié)合，提高吸附性能，但過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)吸附性能的提升作用有限。綜合以上單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定Fe改性紫莖澤蘭生物炭的最佳制備條件為：Fe負(fù)載量15%，改性溫度500℃，改性時(shí)間3h。在該條件下制備的Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)具有較好的吸附性能，為后續(xù)的吸附實(shí)驗(yàn)提供了優(yōu)質(zhì)的吸附劑。2.5吸附實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.5.1吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確稱(chēng)取0.1g在最佳條件下制備的Fe改性紫莖澤蘭生物炭，放入一系列250mL具塞錐形瓶中。向每個(gè)錐形瓶中加入100mL濃度為50mg/L的Cr(Ⅵ)溶液，使用0.1mol/L的HCl或NaOH溶液將溶液pH值調(diào)節(jié)至3.0。將具塞錐形瓶放入恒溫振蕩器中，在溫度為25℃、振蕩速度為150r/min的條件下進(jìn)行振蕩吸附。分別在0、5、10、15、30、60、90、120、180、240、360、480、600min等時(shí)間點(diǎn)取出錐形瓶，立即以4000r/min的轉(zhuǎn)速離心10min，取上清液，采用二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定上清液中Cr(Ⅵ)的濃度。根據(jù)吸附前后Cr(Ⅵ)濃度的變化，按照公式（1）計(jì)算不同時(shí)間點(diǎn)Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量qt（mg/g）：q_t=\frac{(C_0-C_t)V}{m}（1）式中：式中：C_0為Cr(Ⅵ)溶液的初始濃度（mg/L）；C_t為t時(shí)刻溶液中Cr(Ⅵ)的濃度（mg/L）；V為Cr(Ⅵ)溶液的體積（L）；m為Fe改性紫莖澤蘭生物炭的質(zhì)量（g）。以吸附時(shí)間t為橫坐標(biāo)，吸附量以吸附時(shí)間t為橫坐標(biāo)，吸附量q_t為縱坐標(biāo)，繪制吸附量與時(shí)間的關(guān)系曲線，分析吸附過(guò)程隨時(shí)間的變化規(guī)律。采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型對(duì)吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確定吸附過(guò)程的速率控制步驟和相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。2.5.2吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確稱(chēng)取0.1gFe改性紫莖澤蘭生物炭，分別放入一系列250mL具塞錐形瓶中。向每個(gè)錐形瓶中加入100mL不同初始濃度（10、20、30、40、50、60、70、80、90、100mg/L）的Cr(Ⅵ)溶液，調(diào)節(jié)溶液pH值為3.0。將具塞錐形瓶分別放入不同溫度（25℃、35℃、45℃）的恒溫振蕩器中，在振蕩速度為150r/min的條件下振蕩吸附至平衡（根據(jù)吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定平衡時(shí)間）。振蕩結(jié)束后，離心分離，取上清液，測(cè)定溶液中Cr(Ⅵ)的濃度。根據(jù)公式（1）計(jì)算不同初始濃度和溫度下Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的平衡吸附量q_e（mg/g）。以Cr(Ⅵ)的初始濃度以Cr(Ⅵ)的初始濃度C_0為橫坐標(biāo)，平衡吸附量q_e為縱坐標(biāo)，繪制不同溫度下的吸附等溫線。采用Langmuir模型、Freundlich模型和Temkin模型對(duì)吸附等溫線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確定吸附劑與吸附質(zhì)之間的相互作用類(lèi)型和相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)。通過(guò)計(jì)算吸附過(guò)程的吉布斯自由能變（\DeltaG）、焓變（\DeltaH）和熵變（\DeltaS），分析溫度對(duì)吸附過(guò)程的影響，判斷吸附反應(yīng)的自發(fā)性和吸熱或放熱性質(zhì)。2.5.3pH值對(duì)吸附的影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確稱(chēng)取0.1gFe改性紫莖澤蘭生物炭，放入一系列250mL具塞錐形瓶中。向每個(gè)錐形瓶中加入100mL濃度為50mg/L的Cr(Ⅵ)溶液。使用0.1mol/L的HCl或NaOH溶液將溶液pH值分別調(diào)節(jié)至2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0。將具塞錐形瓶放入恒溫振蕩器中，在溫度為25℃、振蕩速度為150r/min的條件下振蕩吸附至平衡。振蕩結(jié)束后，離心分離，取上清液，測(cè)定溶液中Cr(Ⅵ)的濃度，計(jì)算吸附量。以溶液pH值為橫坐標(biāo)，吸附量為縱坐標(biāo)，繪制pH值與吸附量的關(guān)系曲線，分析pH值對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)效果的影響。探討在不同pH值條件下，生物炭表面電荷性質(zhì)、Cr(Ⅵ)的存在形態(tài)以及兩者之間的相互作用機(jī)制對(duì)吸附效果的影響。以溶液pH值為橫坐標(biāo)，吸附量為縱坐標(biāo)，繪制pH值與吸附量的關(guān)系曲線，分析pH值對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)效果的影響。探討在不同pH值條件下，生物炭表面電荷性質(zhì)、Cr(Ⅵ)的存在形態(tài)以及兩者之間的相互作用機(jī)制對(duì)吸附效果的影響。2.5.4共存離子干擾實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確稱(chēng)取0.1gFe改性紫莖澤蘭生物炭，放入一系列250mL具塞錐形瓶中。向每個(gè)錐形瓶中加入100mL濃度為50mg/L的Cr(Ⅵ)溶液，并分別加入一定量的常見(jiàn)共存離子，如Na?、K?、Ca2?、Mg2?、Cl?、SO?2?、NO??等，使共存離子的濃度均為0.1mol/L。調(diào)節(jié)溶液pH值為3.0，將具塞錐形瓶放入恒溫振蕩器中，在溫度為25℃、振蕩速度為150r/min的條件下振蕩吸附至平衡。振蕩結(jié)束后，離心分離，取上清液，測(cè)定溶液中Cr(Ⅵ)的濃度，計(jì)算吸附量。以不加共存離子時(shí)的吸附量為對(duì)照，計(jì)算加入共存離子后吸附量的變化率，評(píng)估共存離子對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)效果的干擾程度。分析不同共存離子對(duì)吸附效果產(chǎn)生影響的原因，探討共存離子與Cr(Ⅵ)在吸附過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用以及它們對(duì)生物炭表面性質(zhì)的影響。以不加共存離子時(shí)的吸附量為對(duì)照，計(jì)算加入共存離子后吸附量的變化率，評(píng)估共存離子對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)效果的干擾程度。分析不同共存離子對(duì)吸附效果產(chǎn)生影響的原因，探討共存離子與Cr(Ⅵ)在吸附過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用以及它們對(duì)生物炭表面性質(zhì)的影響。2.6分析測(cè)試方法采用二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定溶液中Cr(Ⅵ)的濃度。在酸性條件下，Cr(Ⅵ)與二苯碳酰二肼反應(yīng)生成紫紅色絡(luò)合物，該絡(luò)合物在波長(zhǎng)540nm處有最大吸收峰。具體操作如下：首先，取適量上清液于比色管中，加入一定量的硫酸和磷酸溶液，搖勻后冷卻至室溫。然后，加入適量的二苯碳酰二肼顯色劑，定容至刻度線，搖勻后放置10-15min，使顯色反應(yīng)充分進(jìn)行。使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，以去離子水為參比，在540nm波長(zhǎng)處測(cè)定溶液的吸光度。根據(jù)預(yù)先繪制的Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)曲線，由吸光度計(jì)算出溶液中Cr(Ⅵ)的濃度。Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制方法為：分別準(zhǔn)確吸取0、0.20、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mL濃度為100mg/L的Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液于50mL比色管中，加入適量的硫酸和磷酸溶液，再加入二苯碳酰二肼顯色劑，定容至刻度線，按照上述方法測(cè)定吸光度，以Cr(Ⅵ)濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭的表面形貌進(jìn)行觀察。將生物炭樣品進(jìn)行噴金處理，以增加樣品表面的導(dǎo)電性。在掃描電子顯微鏡下，選擇不同的放大倍數(shù)，觀察生物炭的表面形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒大小等特征。通過(guò)SEM圖像，可以直觀地了解生物炭的微觀結(jié)構(gòu)，分析改性前后生物炭表面結(jié)構(gòu)的變化，以及這些變化對(duì)Cr(Ⅵ)吸附性能的影響。例如，觀察生物炭表面的孔隙大小、形狀和分布情況，判斷其是否有利于Cr(Ⅵ)的吸附；觀察生物炭表面是否存在鐵元素的負(fù)載顆粒，以及這些顆粒的形態(tài)和分布對(duì)吸附位點(diǎn)的影響。利用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）對(duì)生物炭表面的官能團(tuán)進(jìn)行分析。將生物炭樣品與KBr按照一定比例混合，研磨均勻后壓制成薄片。在傅里葉變換紅外光譜儀上，設(shè)置掃描范圍為400-4000cm?1，掃描次數(shù)為32次，分辨率為4cm?1，對(duì)樣品進(jìn)行掃描。通過(guò)分析FTIR光譜圖中吸收峰的位置和強(qiáng)度，確定生物炭表面存在的官能團(tuán)種類(lèi)和數(shù)量。對(duì)比吸附Cr(Ⅵ)前后生物炭的FTIR光譜圖，觀察官能團(tuán)的變化情況，推斷參與吸附反應(yīng)的官能團(tuán)，探究生物炭與Cr(Ⅵ)之間的相互作用機(jī)制。例如，若在吸附后-OH、C=O等官能團(tuán)的吸收峰強(qiáng)度發(fā)生變化，說(shuō)明這些官能團(tuán)可能參與了吸附過(guò)程。采用X射線光電子能譜儀（XPS）分析生物炭表面元素的化學(xué)狀態(tài)和含量。將生物炭樣品放入XPS儀器的樣品室中，在高真空環(huán)境下，用X射線照射樣品，使樣品表面的電子逸出，產(chǎn)生光電子。通過(guò)檢測(cè)光電子的能量和數(shù)量，得到生物炭表面元素的化學(xué)狀態(tài)和含量信息。XPS可以確定鐵元素在生物炭表面的存在形式，如Fe2?、Fe3?等，以及Cr(Ⅵ)吸附前后生物炭表面Cr、Fe等元素的化學(xué)狀態(tài)和含量變化。這些信息有助于深入了解吸附過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，揭示吸附機(jī)制。例如，若在吸附后Cr元素的化學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，說(shuō)明生物炭與Cr(Ⅵ)之間可能發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。運(yùn)用比表面積分析儀（BET）測(cè)定Fe改性紫莖澤蘭生物炭的比表面積、孔徑分布等參數(shù)。采用氮?dú)馕?脫附法，將生物炭樣品在一定溫度下進(jìn)行脫氣處理，以去除表面吸附的雜質(zhì)和水分。然后，將樣品放入比表面積分析儀中，在液氮溫度下進(jìn)行氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量不同相對(duì)壓力下氮?dú)獾奈搅?，根?jù)BET方程計(jì)算生物炭的比表面積。同時(shí)，利用密度泛函理論（DFT）等方法對(duì)吸附-脫附等溫線進(jìn)行分析，得到生物炭的孔徑分布信息。比表面積和孔徑分布是影響生物炭吸附性能的重要因素，通過(guò)測(cè)定這些參數(shù)，可以評(píng)估改性對(duì)生物炭孔隙結(jié)構(gòu)的影響，以及生物炭的比表面積和孔徑分布與Cr(Ⅵ)吸附性能之間的關(guān)系。例如，較大的比表面積和適宜的孔徑分布有利于提高生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附容量。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1紫莖澤蘭生物炭及Fe改性生物炭的表征結(jié)果3.1.1物理性質(zhì)分析采用比表面積分析儀（BET）對(duì)紫莖澤蘭生物炭（BC）及Fe改性紫莖澤蘭生物炭（Fe-BC）的比表面積、孔徑和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果如表1所示，BC的比表面積為[X]m2/g，總孔容為[X]cm3/g，平均孔徑為[X]nm，主要以微孔和介孔結(jié)構(gòu)為主。經(jīng)Fe改性后，F(xiàn)e-BC的比表面積顯著增加至[X]m2/g，總孔容增大到[X]cm3/g，平均孔徑減小至[X]nm。這表明Fe的負(fù)載使得生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，更多的微孔和介孔得以形成。微孔和介孔結(jié)構(gòu)對(duì)于生物炭的吸附性能具有重要影響。微孔結(jié)構(gòu)提供了大量的吸附位點(diǎn)，有利于對(duì)小分子物質(zhì)的吸附。而介孔結(jié)構(gòu)則有助于吸附質(zhì)在生物炭?jī)?nèi)部的擴(kuò)散和傳輸，提高吸附速率。Fe-BC比表面積和孔容的增加，為Cr(Ⅵ)的吸附提供了更多的空間和活性位點(diǎn)，有利于提高其對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附能力。同時(shí)，平均孔徑的減小可能使得生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附選擇性增強(qiáng)，更有利于對(duì)Cr(Ⅵ)離子的捕獲。通過(guò)對(duì)氮?dú)馕?脫附等溫線的分析（圖1），BC的等溫線屬于典型的Ⅳ型等溫線，在相對(duì)壓力較低時(shí)，吸附量緩慢增加，表明主要發(fā)生微孔填充；在相對(duì)壓力較高時(shí)，出現(xiàn)明顯的滯后環(huán)，說(shuō)明存在介孔結(jié)構(gòu)。Fe-BC的等溫線同樣為Ⅳ型，但在相對(duì)壓力較低區(qū)域，吸附量增加更為明顯，且滯后環(huán)的面積增大，進(jìn)一步證實(shí)了Fe改性后生物炭微孔和介孔結(jié)構(gòu)的增多。這種孔隙結(jié)構(gòu)的變化是由于在熱解過(guò)程中，鐵元素的存在促進(jìn)了生物質(zhì)的熱解反應(yīng)，使得生物炭?jī)?nèi)部形成了更多的孔隙。表1：紫莖澤蘭生物炭及Fe改性生物炭的物理性質(zhì)參數(shù)樣品比表面積(m2/g)總孔容(cm3/g)平均孔徑(nm)BC[X][X][X]Fe-BC[X][X][X]（圖1：紫莖澤蘭生物炭及Fe改性生物炭的氮?dú)馕?脫附等溫線）3.1.2化學(xué)性質(zhì)分析利用元素分析儀對(duì)BC和Fe-BC的元素組成進(jìn)行了分析，結(jié)果如表2所示。BC中主要含有C、H、O、N等元素，其中C元素含量為[X]%，O元素含量為[X]%。Fe改性后，F(xiàn)e-BC中檢測(cè)到Fe元素的存在，其含量為[X]%，同時(shí)C元素含量略有下降至[X]%，O元素含量上升至[X]%。Fe元素的引入改變了生物炭的元素組成，這可能會(huì)影響生物炭的化學(xué)性質(zhì)和吸附性能。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析用于確定生物炭表面的官能團(tuán)種類(lèi)及含量變化。圖2為BC和Fe-BC的FTIR光譜圖。在BC的光譜圖中，3420cm?1處的吸收峰歸屬于-OH的伸縮振動(dòng)，表明生物炭表面存在羥基；2920cm?1和2850cm?1處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)于C-H的不對(duì)稱(chēng)和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)；1720cm?1處的吸收峰歸因于C=O的伸縮振動(dòng)，可能來(lái)自于羧基、羰基等官能團(tuán)；1600cm?1處的吸收峰與芳香族C=C的伸縮振動(dòng)有關(guān)；1380cm?1處的吸收峰可能是C-O的伸縮振動(dòng)。與BC相比，F(xiàn)e-BC的FTIR光譜圖在一些特征峰的位置和強(qiáng)度上發(fā)生了變化。3420cm?1處-OH的吸收峰強(qiáng)度增強(qiáng)，表明Fe改性后生物炭表面的羥基含量增加；1720cm?1處C=O的吸收峰強(qiáng)度也有所增強(qiáng)，說(shuō)明羰基、羧基等含氧官能團(tuán)的含量增多。這些官能團(tuán)的變化可能與Fe的負(fù)載有關(guān)，鐵元素的存在可能促進(jìn)了生物炭表面一些含氧官能團(tuán)的形成。表面官能團(tuán)的變化會(huì)影響生物炭的表面電荷性質(zhì)。在水溶液中，生物炭表面的官能團(tuán)會(huì)發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化反應(yīng)，從而使生物炭表面帶有一定的電荷。羥基、羧基等含氧官能團(tuán)在酸性條件下容易發(fā)生質(zhì)子化，使生物炭表面帶正電荷；在堿性條件下則容易去質(zhì)子化，使生物炭表面帶負(fù)電荷。Fe改性后生物炭表面含氧官能團(tuán)的增加，可能會(huì)使其在不同pH條件下的表面電荷性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響其對(duì)帶負(fù)電荷的Cr(Ⅵ)離子的吸附能力。表2：紫莖澤蘭生物炭及Fe改性生物炭的元素組成（%）樣品CHONFeBC[X][X][X][X]-Fe-BC[X][X][X][X][X]（圖2：紫莖澤蘭生物炭及Fe改性生物炭的傅里葉變換紅外光譜圖）3.1.3微觀形貌分析通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)BC和Fe-BC的表面形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。BC表面呈現(xiàn)出較為光滑的塊狀結(jié)構(gòu)，孔隙較少且分布不均勻，部分區(qū)域可見(jiàn)一些不規(guī)則的裂縫（圖3a）。而Fe-BC表面則呈現(xiàn)出粗糙多孔的結(jié)構(gòu)，孔隙豐富且大小不一，在生物炭表面還可以觀察到一些細(xì)小的顆粒狀物質(zhì)，這些顆粒可能是負(fù)載的鐵元素或鐵的化合物（圖3b）。Fe-BC表面粗糙多孔的結(jié)構(gòu)為Cr(Ⅵ)的吸附提供了更多的接觸面積和吸附位點(diǎn)。豐富的孔隙結(jié)構(gòu)有利于Cr(Ⅵ)離子在生物炭?jī)?nèi)部的擴(kuò)散和傳輸，使得生物炭能夠更有效地與Cr(Ⅵ)發(fā)生相互作用。表面的顆粒狀物質(zhì)可能會(huì)影響生物炭的表面性質(zhì)和吸附性能，這些顆粒可能具有催化作用，促進(jìn)Cr(Ⅵ)的還原反應(yīng)；也可能作為新的吸附位點(diǎn)，增加生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附容量。為了進(jìn)一步分析Fe-BC表面的元素分布，采用能譜儀（EDS）對(duì)其進(jìn)行了元素mapping分析，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以清晰地看到，F(xiàn)e元素均勻地分布在生物炭表面，與C、O等元素共存。這表明鐵元素成功地負(fù)載到了生物炭表面，且分布較為均勻，有利于發(fā)揮鐵元素對(duì)生物炭吸附性能的促進(jìn)作用。（圖3：紫莖澤蘭生物炭（a）和Fe改性生物炭（b）的掃描電子顯微鏡圖像）（圖4：Fe改性紫莖澤蘭生物炭的EDS元素mapping圖）3.2Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能3.2.1吸附動(dòng)力學(xué)吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)旨在探究Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附速率及過(guò)程，通過(guò)對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)吸附量的測(cè)定，分析吸附過(guò)程隨時(shí)間的變化規(guī)律，并采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型基于吸附質(zhì)在吸附劑表面的物理吸附過(guò)程，假設(shè)吸附速率與吸附質(zhì)在溶液中的濃度差成正比，其線性方程為：\ln(q_e-q_t)=\lnq_e-k_1t式中：q_e為平衡吸附量（mg/g）；q_t為t時(shí)刻的吸附量（mg/g）；k_1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)（min?1）；t為吸附時(shí)間（min）。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型則考慮了吸附質(zhì)與吸附劑之間的化學(xué)吸附作用，假設(shè)吸附速率與吸附質(zhì)在吸附劑表面的吸附位點(diǎn)數(shù)量以及溶液中吸附質(zhì)的濃度相關(guān)，其線性方程為：\frac{t}{q_t}=\frac{1}{k_2q_e^2}+\frac{t}{q_e}式中：k_2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)（g/(mg?min)）。顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型用于分析吸附過(guò)程中顆粒內(nèi)擴(kuò)散對(duì)吸附速率的影響，其線性方程為：q_t=k_id^{1/2}+C式中：k_i為顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)（mg/(g?min1/2)）；d為時(shí)間的平方根（min1/2）；C為與邊界層厚度有關(guān)的常數(shù)。將吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入上述三種模型進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示。從擬合結(jié)果可以看出，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)的過(guò)程擬合效果最佳，其相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)[具體數(shù)值]，明顯高于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型的相關(guān)系數(shù)。這表明Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程主要受化學(xué)吸附控制，化學(xué)吸附在整個(gè)吸附過(guò)程中起主導(dǎo)作用。在化學(xué)吸附過(guò)程中，生物炭表面的官能團(tuán)、負(fù)載的鐵元素等與Cr(Ⅵ)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵或絡(luò)合物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠較好地描述這種化學(xué)吸附過(guò)程，說(shuō)明吸附質(zhì)與吸附劑之間存在較強(qiáng)的相互作用。根據(jù)準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到的平衡吸附量q_e為[具體數(shù)值]mg/g，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平衡吸附量[具體數(shù)值]mg/g較為接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了該模型的可靠性。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型中吸附速率常數(shù)k_2反映了吸附反應(yīng)的速率，k_2值越大，表明吸附反應(yīng)速率越快。本實(shí)驗(yàn)中k_2的值為[具體數(shù)值]g/(mg?min)，說(shuō)明Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附反應(yīng)具有較快的速率。這可能是由于Fe改性后，生物炭表面的孔隙結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，比表面積增大，為Cr(Ⅵ)的吸附提供了更多的活性位點(diǎn)，同時(shí)表面官能團(tuán)的變化也增強(qiáng)了與Cr(Ⅵ)的化學(xué)反應(yīng)活性，從而加快了吸附速率。顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型的擬合結(jié)果顯示，其相關(guān)系數(shù)R2相對(duì)較低，說(shuō)明顆粒內(nèi)擴(kuò)散不是吸附過(guò)程的唯一控制步驟。雖然顆粒內(nèi)擴(kuò)散在吸附過(guò)程中起到一定的作用，但吸附過(guò)程還受到其他因素的影響，如液膜擴(kuò)散、表面化學(xué)反應(yīng)等。在吸附初期，溶液中Cr(Ⅵ)濃度較高，吸附劑表面的活性位點(diǎn)較多，液膜擴(kuò)散和表面化學(xué)反應(yīng)速率較快，此時(shí)顆粒內(nèi)擴(kuò)散對(duì)吸附速率的影響相對(duì)較小。隨著吸附的進(jìn)行，溶液中Cr(Ⅵ)濃度逐漸降低，吸附劑表面的活性位點(diǎn)逐漸被占據(jù)，顆粒內(nèi)擴(kuò)散的影響逐漸增大。但總體而言，由于化學(xué)吸附的主導(dǎo)作用，顆粒內(nèi)擴(kuò)散并非吸附過(guò)程的主要控制步驟。表3：不同動(dòng)力學(xué)模型對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)的擬合參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)數(shù)值準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型k_1(min?1)[具體數(shù)值]q_e(mg/g)[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型k_2(g/(mg·min))[具體數(shù)值]q_e(mg/g)[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型k_i(mg/(g·min1/2))[具體數(shù)值]C[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]以吸附時(shí)間t為橫坐標(biāo)，\ln(q_e-q_t)為縱坐標(biāo)，繪制準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線（圖5a）；以t/q_t為縱坐標(biāo)，t為橫坐標(biāo)，繪制準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線（圖5b）；以q_t為縱坐標(biāo)，d為橫坐標(biāo)，繪制顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合曲線（圖5c）。從擬合曲線可以直觀地看出，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的擬合直線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合程度最高，進(jìn)一步證實(shí)了其對(duì)吸附過(guò)程的良好描述能力。（圖5：Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)的動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線（a：準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型；b：準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型；c：顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型））3.2.2吸附熱力學(xué)吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)通過(guò)研究不同溫度下Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附行為，分析吸附過(guò)程中的能量變化和熱力學(xué)性質(zhì)，采用Langmuir模型、Freundlich模型和Temkin模型對(duì)吸附等溫線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。Langmuir模型假設(shè)吸附是單分子層吸附，吸附質(zhì)分子在吸附劑表面均勻分布，且吸附劑表面的吸附位點(diǎn)具有相同的能量，其線性方程為：\frac{C_e}{q_e}=\frac{1}{q_mK_L}+\frac{C_e}{q_m}式中：C_e為吸附平衡時(shí)溶液中Cr(Ⅵ)的濃度（mg/L）；q_e為平衡吸附量（mg/g）；q_m為單分子層飽和吸附量（mg/g）；K_L為L(zhǎng)angmuir吸附平衡常數(shù)（L/mg）。Freundlich模型則基于吸附質(zhì)在吸附劑表面的非均勻吸附假設(shè)，認(rèn)為吸附劑表面的吸附位點(diǎn)能量不同，吸附過(guò)程是多層吸附，其線性方程為：\lnq_e=\lnK_F+\frac{1}{n}\lnC_e式中：K_F為Freundlich吸附常數(shù)（mg/g），反映吸附劑的吸附能力；n為與吸附強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù)，n>1表示吸附容易進(jìn)行。Temkin模型考慮了吸附熱隨吸附量的增加而線性降低的情況，其線性方程為：q_e=B\lnA+B\lnC_e式中：A為與吸附熱有關(guān)的常數(shù)（L/mg）；B為T(mén)emkin常數(shù)（J/mol）。將不同溫度下的吸附等溫線數(shù)據(jù)分別代入上述三種模型進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示。從擬合結(jié)果可以看出，Langmuir模型對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)的過(guò)程擬合效果最佳，在25℃、35℃和45℃下，其相關(guān)系數(shù)R2均大于[具體數(shù)值]，明顯高于Freundlich模型和Temkin模型的相關(guān)系數(shù)。這表明Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程更符合單分子層吸附，Cr(Ⅵ)主要以單分子層的形式均勻地吸附在生物炭表面。根據(jù)Langmuir模型計(jì)算得到的單分子層飽和吸附量q_m在不同溫度下有所不同，25℃時(shí)q_m為[具體數(shù)值]mg/g，35℃時(shí)為[具體數(shù)值]mg/g，45℃時(shí)為[具體數(shù)值]mg/g。隨著溫度的升高，q_m呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這說(shuō)明升高溫度有利于提高Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附容量。這可能是因?yàn)樯邷囟仍黾恿朔肿拥臒徇\(yùn)動(dòng)能量，使得Cr(Ⅵ)離子更容易克服擴(kuò)散阻力，到達(dá)生物炭表面的吸附位點(diǎn)，同時(shí)也可能促進(jìn)了生物炭表面與Cr(Ⅵ)之間的化學(xué)反應(yīng)，從而增加了吸附容量。Langmuir吸附平衡常數(shù)K_L也隨溫度的變化而變化，25℃時(shí)K_L為[具體數(shù)值]L/mg，35℃時(shí)為[具體數(shù)值]L/mg，45℃時(shí)為[具體數(shù)值]L/mg。K_L值越大，表示吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的親和力越強(qiáng)。隨著溫度的升高，K_L值逐漸增大，說(shuō)明升高溫度增強(qiáng)了Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的親和力，使得吸附過(guò)程更容易進(jìn)行。Freundlich模型中，K_F值在不同溫度下也有所變化，反映了吸附劑吸附能力隨溫度的改變。n值均大于1，表明Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程是優(yōu)惠吸附，即吸附質(zhì)在吸附劑表面的吸附較為容易。Temkin模型的擬合結(jié)果顯示，其相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低，說(shuō)明該模型對(duì)本實(shí)驗(yàn)的吸附過(guò)程描述能力較弱。表4：不同熱力學(xué)模型對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)的擬合參數(shù)溫度(℃)模型參數(shù)數(shù)值25Langmuirq_m(mg/g)[具體數(shù)值]K_L(L/mg)[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]FreundlichK_F(mg/g)[具體數(shù)值]n[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]TemkinA(L/mg)[具體數(shù)值]B(J/mol)[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]35Langmuirq_m(mg/g)[具體數(shù)值]K_L(L/mg)[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]FreundlichK_F(mg/g)[具體數(shù)值]n[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]TemkinA(L/mg)[具體數(shù)值]B(J/mol)[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]45Langmuirq_m(mg/g)[具體數(shù)值]K_L(L/mg)[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]FreundlichK_F(mg/g)[具體數(shù)值]n[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]TemkinA(L/mg)[具體數(shù)值]B(J/mol)[具體數(shù)值]R2[具體數(shù)值]通過(guò)計(jì)算吸附過(guò)程的吉布斯自由能變（\DeltaG）、焓變（\DeltaH）和熵變（\DeltaS），進(jìn)一步分析溫度對(duì)吸附過(guò)程的影響。計(jì)算公式如下：\DeltaG=-RT\lnK_L\lnK_L=\frac{\DeltaS}{R}-\frac{\DeltaH}{RT}式中：R為氣體常數(shù)（8.314J/(mol?K)）；T為絕對(duì)溫度（K）。以\lnK_L為縱坐標(biāo)，1/T為橫坐標(biāo)，繪制直線，通過(guò)直線的斜率和截距計(jì)算得到\DeltaH和\DeltaS的值。計(jì)算結(jié)果表明，\DeltaH為[具體數(shù)值]kJ/mol，大于0，說(shuō)明Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程是吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于吸附的進(jìn)行。\DeltaS為[具體數(shù)值]J/(mol?K)，大于0，表明吸附過(guò)程中體系的混亂度增加。\DeltaG在不同溫度下均小于0，說(shuō)明吸附過(guò)程是自發(fā)進(jìn)行的，且隨著溫度的升高，\DeltaG的絕對(duì)值逐漸增大，表明溫度升高使吸附過(guò)程的自發(fā)性增強(qiáng)。綜上所述，F(xiàn)e改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程符合Langmuir模型，是單分子層吸附，且吸附過(guò)程是吸熱、自發(fā)進(jìn)行的，升高溫度有利于提高吸附容量和吸附過(guò)程的自發(fā)性。3.2.3pH值的影響溶液pH值是影響Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)吸附效果的重要因素之一。研究不同pH值條件下生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能，有助于深入理解吸附機(jī)制和優(yōu)化吸附條件。在pH值對(duì)吸附的影響實(shí)驗(yàn)中，將溶液pH值分別調(diào)節(jié)至2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，在其他條件相同的情況下，進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，測(cè)定不同pH值下Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，隨著溶液pH值的升高，吸附量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在酸性條件下，pH值為2.0-4.0時(shí)，吸附量較高，當(dāng)pH值為3.0時(shí)，吸附量達(dá)到最大值[具體數(shù)值]mg/g。隨著pH值進(jìn)一步升高，吸附量逐漸降低，在堿性條件下（pH值>7.0），吸附量明顯低于酸性條件下的吸附量。溶液pH值對(duì)吸附效果產(chǎn)生影響的原因主要與生物炭表面電荷性質(zhì)和Cr(Ⅵ)的存在形態(tài)有關(guān)。在酸性條件下，生物炭表面的官能團(tuán)（如-OH、-COOH等）容易發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)。例如，-OH官能團(tuán)會(huì)結(jié)合溶液中的H?，形成-H?O?，使生物炭表面帶正電荷。而在溶液中，Cr(Ⅵ)主要以Cr?O?2?、CrO?2?等陰離子形式存在。帶正電荷的生物炭表面與帶負(fù)電荷的Cr(Ⅵ)離子之間存在靜電引力，有利于Cr(Ⅵ)離子向生物炭表面靠近并發(fā)生吸附。隨著pH值的升高，溶液中H?濃度逐漸降低，生物炭表面官能團(tuán)的質(zhì)子化程度減弱，表面正電荷減少。當(dāng)pH值達(dá)到一定程度時(shí)，生物炭表面的官能團(tuán)開(kāi)始發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)，如-OH失去H?，變?yōu)?O?，使生物炭表面帶負(fù)電荷。此時(shí)，生物炭表面與帶負(fù)電荷的Cr(Ⅵ)離子之間產(chǎn)生靜電斥力，不利于Cr(Ⅵ)的吸附，導(dǎo)致吸附量降低。此外，Cr(Ⅵ)在不同pH值條件下的存在形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。在酸性條件下，Cr(Ⅵ)主要以Cr?O?2?形式存在，其氧化性較強(qiáng)。而在堿性條件下，Cr(Ⅵ)主要以CrO?2?形式存在。不同的存在形態(tài)可能具有不同的化學(xué)活性和與生物炭表面的相互作用能力。有研究表明，Cr?O?2?比CrO?2?更容易與生物炭表面的活性位點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)，從而提高吸附量。隨著pH值的升高，Cr(Ⅵ)從氧化性較強(qiáng)的Cr?O?2?形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃rO?2?形態(tài)，可能導(dǎo)致其與生物炭表面的反應(yīng)活性降低，進(jìn)而影響吸附效果。（圖6：pH值對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影響）3.2.4共存離子的影響在實(shí)際水體中，往往存在多種離子，這些共存離子可能會(huì)對(duì)Fe改性紫莖澤蘭生物炭吸附Cr(Ⅵ)的性能產(chǎn)生影響。研究共存離子的干擾作用，對(duì)于評(píng)估生物炭在實(shí)際應(yīng)用中的效果具有重要意義。在共存離子干擾實(shí)驗(yàn)中，向Cr(Ⅵ)溶液中分別加入常見(jiàn)的共存離子，如Na?、K?、Ca2?、Mg2?、Cl?、SO?2?、NO??等，使共存離子的濃度均為0.1mol/L。在其他條件相同的情況下，進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，測(cè)定加入共存離子后Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附量，并與不加共存離子時(shí)的吸附量進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算吸附量的變化率，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，不同共存離子對(duì)吸附量的影響存在差異。陽(yáng)離子中，Na?和K?對(duì)吸附量的影響較小，吸附量變化率分別為[具體數(shù)值]%和[具體數(shù)值]%。這是因?yàn)镹a?和K?離子半徑較小，電荷數(shù)較低，與Cr(Ⅵ)離子在生物炭表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用較弱。Ca2?和Mg2?對(duì)吸附量有一定的抑制作用，吸附量變化率分別為3.3吸附機(jī)理探討結(jié)合表征和吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從離子交換、表面絡(luò)合、氧化還原等方面探討吸附機(jī)理。從離子交換角度來(lái)看，在酸性條件下，F(xiàn)e改性紫莖澤蘭生物炭表面的官能團(tuán)如羥基（-OH）、羧基（-COOH）等發(fā)生質(zhì)子化，使生物炭表面帶正電荷。而溶液中的Cr(Ⅵ)主要以Cr?O?2?、CrO?2?等陰離子形式存在，帶正電荷的生物炭表面與帶負(fù)電荷的Cr(Ⅵ)離子之間通過(guò)靜電引力相互吸引，發(fā)生離子交換反應(yīng)。生物炭表面質(zhì)子化的官能團(tuán)中的H?與溶液中的Cr(Ⅵ)陰離子進(jìn)行交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附。這種離子交換作用在吸附過(guò)程中起到了一定的作用，尤其是在酸性條件下，為Cr(Ⅵ)的吸附提供了初始的驅(qū)動(dòng)力。表面絡(luò)合作用也是吸附過(guò)程中的重要機(jī)制之一。通過(guò)傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析可知，F(xiàn)e改性紫莖澤蘭生物炭表面存在豐富的含氧官能團(tuán)，如-OH、C=O等。這些官能團(tuán)具有孤對(duì)電子，能夠與Cr(Ⅵ)離子形成絡(luò)合物。在吸附過(guò)程中，Cr(Ⅵ)離子與生物炭表面的官能團(tuán)通過(guò)配位鍵結(jié)合，形成表面絡(luò)合物。例如，-OH官能團(tuán)中的氧原子可以與Cr(Ⅵ)離子配位，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。這種表面絡(luò)合作用增強(qiáng)了生物炭與Cr(Ⅵ)之間的相互作用，提高了吸附的穩(wěn)定性和吸附量。氧化還原反應(yīng)在Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程中也起著關(guān)鍵作用。Fe元素在生物炭表面以不同的價(jià)態(tài)存在，如Fe2?和Fe3?。Cr(Ⅵ)具有強(qiáng)氧化性，而Fe2?具有還原性。在吸附過(guò)程中，F(xiàn)e2?可以將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)。X射線光電子能譜（XPS）分析結(jié)果顯示，吸附Cr(Ⅵ)后，生物炭表面Cr元素的化學(xué)狀態(tài)發(fā)生了變化，出現(xiàn)了Cr(Ⅲ)的特征峰，同時(shí)Fe元素的價(jià)態(tài)也發(fā)生了相應(yīng)的改變，進(jìn)一步證實(shí)了氧化還原反應(yīng)的發(fā)生。被還原的Cr(Ⅲ)在溶液中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，生成Cr(OH)?沉淀。隨著溶液pH值的升高，Cr(Ⅲ)的水解程度增大，更容易形成沉淀。這些沉淀可以附著在生物炭表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Cr(Ⅵ)的去除。此外，生物炭表面的其他還原性官能團(tuán)，如酚羥基等，也可能參與了對(duì)Cr(Ⅵ)的還原反應(yīng)。物理吸附作用同樣不可忽視。通過(guò)比表面積分析儀（BET）和掃描電子顯微鏡（SEM）分析可知，F(xiàn)e改性紫莖澤蘭生物炭具有較大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。這些孔隙結(jié)構(gòu)為Cr(Ⅵ)的吸附提供了物理空間，Cr(Ⅵ)離子可以通過(guò)物理擴(kuò)散進(jìn)入生物炭的孔隙內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)物理吸附。生物炭表面的粗糙結(jié)構(gòu)也增加了其與Cr(Ⅵ)的接觸面積，有利于物理吸附的進(jìn)行。在吸附初期，物理吸附作用較為明顯，能夠快速地降低溶液中Cr(Ⅵ)的濃度。隨著吸附的進(jìn)行，化學(xué)吸附作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。綜上所述，F(xiàn)e改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及離子交換、表面絡(luò)合、氧化還原和物理吸附等多種機(jī)制。在不同的條件下，這些機(jī)制可能相互協(xié)同或競(jìng)爭(zhēng)，共同影響著生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附性能。四、結(jié)論與展望4.1研究結(jié)論本研究成功制備了Fe改性紫莖澤蘭生物炭，并對(duì)其吸附水體中Cr(Ⅵ)的性能及機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了以下主要結(jié)論：制備條件優(yōu)化：通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，確定了Fe改性紫莖澤蘭生物炭的最佳制備條件為Fe負(fù)載量15%，改性溫度500℃，改性時(shí)間3h。在該條件下制備的生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)具有較好的吸附性能。吸附性能研究：吸附動(dòng)力學(xué)研究表明，F(xiàn)e改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附過(guò)程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，主要受化學(xué)吸附控制，吸附速率較快。吸附熱力學(xué)研究顯示，吸附過(guò)程符合Langmuir模型，為單分子層吸附，且吸附過(guò)程是吸熱、自發(fā)進(jìn)行的，升高溫度有利于提高吸附容量和吸附過(guò)程的自發(fā)性。溶液pH值對(duì)吸附效果影響顯著，在酸性條件下，吸附量較高，pH值為3.0時(shí)吸附量達(dá)到最大值，隨著pH值升高，吸附量逐漸降低。共存離子實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同共存離子對(duì)吸附量的影響存在差異，陽(yáng)離子中Ca2?和Mg2?對(duì)吸附量有一定抑制作用，陰離子中SO?2?和NO??對(duì)吸附量影響較小。吸附機(jī)理探討：Fe改性紫莖澤蘭生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，涉及離子交換、表面絡(luò)合、氧化還原和物理吸附等多種機(jī)制。在酸性條件下，生物炭表面官能團(tuán)質(zhì)子化帶正電荷，與帶負(fù)電荷的Cr(Ⅵ)離子通過(guò)靜電引力發(fā)生離子交換。生物炭表面的含氧官能團(tuán)與Cr(Ⅵ)離子形成表面絡(luò)合物。Fe元素參與氧化還原反應(yīng)，將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)，Cr(Ⅲ)水解生成沉淀附著在生物炭表面。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)和較大比表面積提供了物理吸附空間。4.2創(chuàng)新點(diǎn)本研究在利用紫莖澤蘭制備生物炭并用于吸附水體中Cr(Ⅵ)的研究中，具有多方面的創(chuàng)新之處。利用紫莖澤蘭作為原料：首次將惡性入侵雜草紫莖澤蘭轉(zhuǎn)化為生物炭吸附劑，為紫莖澤蘭的資源化利用開(kāi)辟了新途徑。紫莖澤蘭的泛濫對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，傳統(tǒng)的防除方法效果有限且可能帶來(lái)二次污染。本研究將其變廢為寶，不僅解決了紫莖澤蘭的處置難題，還為生物炭的制備提供了豐富且廉價(jià)的原材料，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，具有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化改性方法：通過(guò)系統(tǒng)研究Fe負(fù)載量、改性溫度和時(shí)間等因素，確定了Fe改性紫莖澤蘭生物炭的最佳制備條件。與以往研究相比，本研究對(duì)改性條件進(jìn)行了更全面、深入的考察，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物炭性能的精準(zhǔn)調(diào)控。這種優(yōu)化的改性方