背景介绍
西藏地热水资源丰富但普遍氟含量超标，长期饮用高氟水会引发氟斑牙、氟骨病等健康问题，威胁居民饮水安全。当前水中氟治理有吸附法、膜分离法等，其中吸附法因操作简便、成本低等优势应用前景好。生物炭作为吸附剂，因比表面积大、吸附性能好，常被用于水体修复，但原始生物炭除氟效果有限，改性可提升其性能，铁改性生物炭还便于磁分离回收。目前多数除氟吸附剂原料为稻壳等，以高原农业废弃物青稞秸秆热解制备生物炭并铁改性用于除氟的研究较少。基于此，研究以青稞秸秆为原料制生物炭并改性，探究其除氟效果，为青稞秸秆资源化及西藏地热水除氟提供参考。
文章亮点
1. 以青藏高原特色农业废弃物青稞秸秆为原料制备生物炭，既实现了废弃物资源化高效利用，又为西藏地热水氟去除提供了适配性原料，兼具生态与地域应用价值；
2. 通过铁改性（FeCl₃・6H₂O 和 FeSO₄・7H₂O 混合液浸渍）显著提升生物炭除氟性能，改性后的Fe@SBC50在最优条件下氟去除率达92.22%，且具备磁性可回收特性，解决了传统吸附剂难回收的问题；
内容介绍
1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
1.2 实验方法
1.2.1 青稞秸秆生物炭的制备
1.2.2 改性青稞秸秆生物炭的制备
准确称取3.728 g（0.0138 mol）FeCl3•6H2O和3.94 g（0.0142 mol）FeSO4•7H2O溶解在200 mL去离子水中，充分搅拌至固体完全溶解，将8 g SBC500加入上述溶液中再超声处理5 min。
1.3 吸附实验
原始生物炭吸附实验：实验分别测试了改性前生物炭在温度为25℃、吸附时间6 h、生物炭投加量2.5 g/L、溶液pH 7条件下氟的吸附效果。称取0.05 g这3种原始生物炭分别置于50 mL离心管中，加入20 mL（19 mg/L） NaF溶液。将其置于温度25℃，转速为150 r/min的水浴恒温振荡器中6 h。振荡完成后使用一次性注射器和水系过滤器（0.45 μm）过滤出上层清液，采用氟离子计测定上层清液氟离子含量，计算出氟离子去除率和吸附容量。
2 结果与讨论
2.1 原始生物炭的表征分析及吸附效果
2.1.1 原始生物炭最优炭化温度的筛选
扫描电子显微镜显示了原始生物炭的微观形貌和结构。随着热解温度的升高，生物炭的孔隙增多并变大[15]，SBC300的管状孔较小，分布不均匀，表面粗糙。SBC500的孔呈管状，大小分布均匀，表面较光滑。SBC700孔径大小不一且分布不均，可能是由于温度过高导致孔壁坍塌[16]。
原始生物炭的FT-IR光谱如图2所示，3种生物炭拥有的官能团种类基本相同。
BET结果如表1所示。SBC500的比表面积和总孔体积达到最大，平均孔直径＜10 nm，说明其含有的孔隙主要为微孔（＜2 nm）和介孔（2~50 nm）[24]。
2.2 SBC500和Fe@SBC500的表征结果分析
生物炭的FT-IR图谱如图3a所示，相较于SBC500，Fe@SBC500在465 cm-1附近的峰强度增大，对应于Fe—O键的伸缩振动，可推测生物炭成功负载铁基化合物[28,29]。
2.3 生物炭对水溶液中氟的吸附性能
2.3.1 温度对吸附效果的影响
生物炭分别在温度为25、50、80℃条件下对氟的吸附效果如图6a所示。
2.3.2 吸附时间对吸附效果的影响
不同吸附时间内生物炭对氟的吸附实验结果如图6b所示。
2.3.3 生物炭投加量对吸附效果的影响
在氟离子浓度一定的情况下，随着生物炭投加量的增加，吸附速率会相应加快。这是因为更多的吸附剂投加量能够提供更多的吸附位点，吸附质分子在溶液等介质中扩散时，遇到吸附位点的概率增大[36]。
3 结论
本研究制备了青稞秸秆基生物炭，研究了其对水中氟的吸附性能，后续需关注生物炭吸附水中氟的可循环利用性以及实际地热水中的应用效果。主要结论如下：
3.1 通过FT-IR、BET、SEM等表征分析以及吸附实验，SBC500具有更大的比表面积、致密的孔隙结构和众多的含氧官能团，对水中的氟具有较高的吸附性能。
3.2 依据BET、SEM、XRD和FT-IR表征结果可推测，生物炭SBC500已成功负载铁基化合物，同时Fe@SBC500在一定程度上具有更高的吸附潜力。
3.3 单因素实验结果表明，生物炭吸附氟离子最佳条件：温度80℃、吸附时间6 h、生物炭投加量10 g/L、溶液初始pH 7。在此条件下SBC500的氟去除率为65.32%，Fe@SBC500的氟去除率为92.22%，改性提高了生物炭对氟的吸附效果。
3.4 拟二级动力学模型能更好地拟合Fe@SBC500和SBC500对氟离子的吸附过程，表明其吸附过程主要为化学吸附；二者对F-的吸附过程属于吸热、熵增反应，且高温有助于Fe@SBC500吸附F-过程的自发进行，吸附过程在固-液界面的混乱度增大。
