蔡卫权教授团队在工程领域顶级期刊Bioresource Technol发表废弃花生壳的减排和高附加值利用方面的最新研究成果

近日，广州大学化学化工学院蔡卫权教师团队在废弃花生壳的减排和高附加值利用方面取得重要进展，报道了一种以废弃的花生壳为碳源，经简单的一锅水热和热解制备对有机砷洛克沙砷（3-硝基-4-羟基苯胂酸，Roxarsone，ROX）吸附性能显著增强的铁氮共掺杂生物炭(Fe-N-BC)的有效方法（图1）。相关研究成果发表在工程技术生物质利用领域顶级期刊《Bioresource Technology》。

图1 简单一锅水热法、经热解制备对ROX吸附性能显著增强的花生壳基铁氮共掺杂生物炭

01丨研究背景

人们对于高营养食品的需求产生对肉类的大量需求，从而极大地促进了畜牧业的发展。ROX是畜禽养殖中常用的有机砷饲料添加剂，用于促进畜禽生长和预防疾病。但ROX被畜禽摄入后并不会在其体内被消化，大部分会随着畜禽的粪便和尿液排放到自然环境中，而ROX在环境中会被微生物影响转化为高毒性的亚砷酸盐和砷酸盐。此外，有机砷的水溶性高，不易处理，容易通过食物链富集对人类健康产生潜在风险，如ROX会在人体中代谢为毒性更强的产物，对人体的肝细胞产生严重危害。因此，将有机砷在进入自然环境之前有效除去具有重要意义。

02丨研究内容

该研究团队以废弃的花生壳、廉价的尿素和FeCl3·6H2O为原料，采用一锅水热、经热解制备了铁氮共掺杂、分级多孔结构的生物炭(Fe-N-BC)，系统研究了铁氮共掺杂对生物炭的理化性质和对ROX吸附性能的影响。其中，在650 ℃下热解制得Fe-N-BC-650的比表面积可达358.53 m2/g，并且具有发达的微介孔结构；25 ℃下其对ROX的吸附量高达197.32 mg/g（图2），多次吸附-脱附循环后再生效率仍高达90 %以上，表明从废弃的花生壳制得的铁氮共掺杂生物炭在高效去除含ROX废水方面显示出良好的应用潜力。

图2 生物炭对ROX的吸附容量、生物炭的比表面积（SBET）、生物炭的石墨化程度和其缺陷度之比

进一步研究发现，所制备生物炭对ROX的吸附量与其比表面积、孔容、生物炭的石墨化程度和其缺陷度之比ID/IG正相关，铁氮共掺杂后其比表面积显著增加；较高的ID/IG意味着生物炭中有更多能够破坏其芳香单元π-体系的缺陷结构（图3）；其分级微孔和介孔结构在动力学和热力学上都有利于对ROX的吸附。相关分析和光谱分析表明，孔隙填充、π-π相互作用和氢键的协同效应在吸附ROX过程中起主导作用。

图3 铁氮共掺杂生物炭Fe-N-BC-650对ROX的吸附容量与其(a)比表面积SBET、(b)孔容和(c)生物炭的石墨化程度和其缺陷度之比(ID/IG)相对含量的相关性

03丨研究相关

该研究成果广州大学为第一通讯单位，第一作者为硕士研究生罗志佳，通讯作者为蔡卫权教授和梁菀纹博士后。该研究工作得到了国家自然科学基）、广东省自然科学基金、中国博士后科学基金等多项基金项目的支持。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129762

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