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引言

随着社会快速发展，人类环保意识逐渐增强。水环境中存在各种低含量高毒性的污染物，提高水环境中污染物的去除效率受到广泛关注。吸附法因其操作简便、成本低、效率高和无二次污染，在污水处理中得到广泛应用。然而，传统吸附材料如石墨烯、碳纳米管和活性炭等价格昂贵且存在潜在毒性，限制了其应用。生物炭作为一种经济环保、高效简单的吸附材料，逐渐脱颖而出。文章基于桂林理工大学王敦球教授团队研究成果及国家自然科学基金项目、广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目、广西重点实验室研究基金项目等资助。

交换偏置效应的重要性：交换偏置效应是自旋电子学中的核心物理现象，对非易失性磁存储、高灵敏度磁传感器及量子信息器件等至关重要。传统交换偏置材料体系（如FeMn/IrMn与CoFe界面）面临界面原子级结构敏感、高温下钉扎作用消失等挑战，限制了其进一步应用。

生物炭材料特性：生物炭是生物质在缺氧或限氧条件下通过热解产生的富碳固体材料，原料包括城市污泥、林业废弃物、农业秸秆和动物粪便等。前驱体类型和制备条件会影响生物炭的结构特性和吸附性能。农业秸秆因其来源广泛、价格低廉，成为具有吸引力的选择。然而，秸秆生物炭灰分含量高，需进一步改性以提高吸附性能。

改性方法概述：常用的生物炭改性方法包括蒸汽改性、酸碱改性、金属改性和纳米改性等。酸碱改性可去除生物炭灰分、改善孔隙结构和比表面积。KMnO₄化学改性不仅能改善孔隙结构，还能将锰氧化物负载在生物炭上，增强生物炭与污染物之间的相互作用。

研究空白：商业生物炭孔隙发育不完全、使用有限，且关于不同改性方法的对比研究较少。本研究针对商业玉米秸秆生物炭（CSBC），分别进行KOH和KMnO₄改性，制备出两种改性材料HCSBC和MCSBC，以期为增强商业生物炭对水环境中污染物的去除性能提供技术支持和理论依据。

（1）双改性方法对比

本研究首次系统对比了KOH和KMnO₄两种改性方法对玉米秸秆生物炭吸附性能的影响，填补了该领域的研究空白。

（2）优化工艺条件

通过正交实验和单因素实验，确定HCSBC和MCSBC的最优制备条件。具体条件为：HCSBC改性温度为90 ℃，氢氧化钾溶液浓度为2 mol/L，固液比为1/20，改性时间为12 h；MCSBC改性温度为90 ℃，高锰酸钾溶液浓度为0.25 mol/L，固液比为1/20，改性时间为8 h。

（3）多维度表征分析

采用比表面积分析（BET）、X射线衍射分析（XRD）、傅里叶红外光谱分析（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）及X射线能量色散光谱（EDS）和X射线光电子能谱仪（XPS）等多种表征手段，全面分析改性前后生物炭的晶形结构、表面官能团、表面形貌及元素分布和元素形态的差异。

（4）显著提升吸附性能

改性后的HCSBC和MCSBC比表面积、孔隙体积和孔径均显著高于原始CSBC。HCSBC对亚甲基蓝（MB）的吸附量从原始CSBC的8.77 mg/g提升至24.04 mg/g，MCSBC的吸附量更是达到45.37 mg/g，显著增强了生物炭的吸附性能。

图1 KOH/KMnO₄浓度对HCSBC和MCSBC去除MB性能的影响

Fig.1 The Effect of KOH/KMnO₄ Concentration on the MB Removal Performance of HCSBC and MCSBC

图2 改性温度对HCSBC和MCSBC去除MB性能的影响

Fig. 2 The Effect of Modification Temperature on the MB Removal Performance of HCSBC and MCSBC

图3 搅拌时间对HCSBC和MCSBC去除MB性能的影响

Fig. 3 The Effect of Stirring Time on the MB Removal Performance of HCSBC and MCSBC

图4 固液比对HCSBC和MCSBC去除MB性能的影响

Fig.4 Effect of Solid Liquid Ratio on MB Removal Performance of HCSBC and MCSBC

图6 CSBC、HCSBC和MCSBC的XRD和FT-IR图谱

Fig.6 XRD and FT-IR spectra of CSBC, HCSBC and MCSBC

（1）改性效果显著：KOH和KMnO₄改性显著改善了玉米秸秆生物炭的物理和化学性质，促进了介孔的形成，提高了比表面积和吸附性能。

（2）改性机理明确：XRD和FT-IR分析表明，HCSBC和MCSBC均含k晶体的衍射峰，MCSBC上有与锰氧化物相关的特征峰，表明K、Mn成功负载在CSBC上。SEM-EDS和XPS分析进一步证实了HCSBC和MCSBC孔隙结构的丰富性和规则性，以及Mn元素在MCSBC上的成功负载。

（3）最优条件确定：通过正交实验和单因素实验，确定了HCSBC和MCSBC制备的最优条件，为实际生产提供了科学依据。

文章发表于《功能材料》2025年第56卷第12期，欢迎引用本文：    

岳甜甜,王敦球,易佳敏,等.KOH和KMnO₄改性玉米秸秆生物炭的制备和对比研究[J].功能材料, 2025,56(12):12122-12131.

YUE T T,WANG D Q,YI J M,et al.Preparation and comparative study of biochar from corn stover modified with KOH and KMnO₄[J].Journal of functional materials,2025,56(12):12122-12131.