从山竹果中制备的吸附剂在固定床柱系统中高效去除废水中的铵

为什么去除水中铵很重要

在世界各地，河流、湖泊和沿海水域正悄然被铵超载。铵是氮的一种形态，会从农田、工厂和污水系统中泄漏出来。当过量铵进入水体时，会引发藻类暴发、夺走鱼类的溶解氧并扰乱脆弱的水生生态系统。本研究探讨了一个简单但有前景的想法：利用一种常见热带水果山竹果的处理果皮，作为低成本的过滤材料，在水流通过柱体时从污染水中去除铵，就像自来水通过家庭过滤器一样。

将果渣变成水过滤材料

研究人员从山竹果的果皮入手，这种果实已用于食品和保健品。研究者没有丢弃果皮，而是对其进行清洗、干燥、研磨并化学处理，制成具有多孔结构的固体，可从水中捕获溶解的物质。将这种处理过的植物材料装入玻璃柱形成固定床，通过受控速率泵入含铵水。与把水和吸附剂放在烧杯中静置的简单批量实验不同，这种装置模拟了真实处理厂的运行方式：水连续流过固体介质，工程师需要了解滤料在需要更换前能工作多长时间。

在多个尺度上研究材料

为了弄清山竹果作为过滤材料的机理，团队使用了多种成像和表面分析技术。红外光谱表明材料表面富含基于氧的化学基团，如羟基和羧基，这些基团在水中可以带负电荷，从而吸引带正电的铵离子。电子显微镜显示出粗糙且有通道的表面，具有许多孔隙，为水和溶解离子进入内部提供通道。对比表面积和孔体积的测量证实，尽管该材料的比表面积不如某些商业活性炭，但它提供了足够的孔隙度和反应位点，能够作为实用的吸附剂。综合这些测试表明，铵既在外表面被捕获，也通过静电吸引和离子交换作用进入孔网内部被固持。

柱体在不同条件下的表现

研究的核心是一系列柱实验，研究人员改变三个关键操作条件：水的流速、铵的浓度以及填充床的高度。在较低流速下，水与吸附剂接触的时间更长，因此铵出现突破的时间被推迟，柱体在达到饱和前能处理更多水。相反，较高流速使水流通过过快，会导致更早出现突破和有效容量下降。当进水铵浓度适中时，柱体能长期高效去除铵。较高浓度下，较强的驱动力加速去除，但也更快占满表面位点，缩短滤料的使用寿命。增加床高——在相同柱径下使用更多的山竹果材料——为水提供了更长的路径和更多的活性位点，从而延长运行时间并提高每克吸附剂去除的总铵量。

用数学模型预测过滤器寿命

为了从实验室试验向真实系统的设计规则推进，团队使用广泛应用的柱模型拟合实验数据，这些模型包括Thomas模型和Yoon–Nelson方程。这些模型描述了出水与入水浓度比随时间上升的过程，并得出总结柱体接近饱和速率及可容纳铵量的参数。在广泛条件下，这两种模型都能以高统计一致性再现测得的“突破曲线”，尽管在某些情况下Yoon–Nelson模型给出的拟合略好。对“质量传递区”——床内实际去除发生的区域——的附加分析显示其长度和形状如何依赖于流速和床高，为放大规模提供了进一步的指导。

山竹果与其他材料的比较

将结果与使用生物炭、沸石或矿物复合材料等材料的其他固定床研究相比，山竹果吸附剂表现不俗。其在连续流条件下的最大工作容量与许多替代材料相当甚至更好，尽管其测得的比表面积相对适中。这表明孔隙的特定布局和丰富的反应性表面基团与原始比表面积同样重要。作者强调尚未测试材料的再生和重复使用性能，因此长期成本和性能问题仍待解决。尽管如此，作为一种植物来源、易得的材料，山竹果在改善富铵废水、尤其是小型或分散式处理系统中，显示出可持续的应用前景。

一个简单且具有实用前景的想法

通俗地说，这项工作表明经过处理的果皮在水通过柱式过滤器时可以作为有效的“海绵”去除铵。通过仔细测量流速、污染水平和床深如何影响滤料出现“突破”之前的时间，并用模型验证和预测这种行为，研究者为工程师提供了设计实用系统的工具。尽管仍需更多工作来测试再生与实际耐久性，基于山竹果的吸附剂作为未来废水处理方案中的一种可信赖、生物基组成部分，有望帮助保护河流和湖泊免受氮负荷过重的影响。

引用: Soliman, M.S.S., Mubarak, M.F. & Hosny, R. Garcinia derived adsorbents for efficient ammonium removal from wastewater in fixed bed column systems. Sci Rep 16, 12585 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45752-2

关键词: 铵去除, 废水处理, 生物吸附剂, 固定床柱, 山竹果（Garcinia cambogia）