[论文解读] Decoupling Precipitation and Surface Complexation during Mn(II) Removal by Biochar via Experiments and Atomistic Simulations
本研究结合实验与原子级模拟,将生物炭对 Mn(II) 的去除解耦为沉淀驱动路径和表面络合驱动路径,揭示进料原料、热解温度及表面去质子化如何控制机制。
Manganese(II) mobilised by mining activity poses a persistent water-quality challenge, yet the mechanisms by which low-cost sorbents, such as biochar, sequester Mn(II) remain poorly resolved. This study identifies the specific chemical drivers of Mn(II) sequestration by combining fixed-bed column and batch experiments with atomistic molecular dynamics simulations. Oilseed rape straw biochars, produced at 350 extdegree C, 550 extdegree C, and 700 extdegree C, removed 20-50% of dissolved Mn from acidic influent (pH 4, 5 ppm). High-temperature biochar achieved the greatest removal ($\sim$50%) and rapidly increased effluent pH to 9, triggering alkaline precipitation. Conversely, lower-temperature biochars removed 20-30% of Mn while maintaining a near-neutral pH (7-7.5). Enhanced \ce{K+} release in these systems indicates significant cation exchange and non-precipitative pathways. Molecular simulations confirmed that while neutral surfaces show weak Mn(II) association, deprotonated sites drive strong adsorption through inner-sphere complexation ($\sim$50% removal) and outer-sphere association ($\sim$10%). These results establish a mechanistic framework to distinguish between precipitation-led and surface-complexation-led removal. By providing specific chemical criteria for Mn-targeted sequestration, this work enables the rational design of engineered biochars for sustainable water remediation.
研究动机与目标
- Identify how biochar pyrolysis temperature and feedstock influence Mn(II) sequestration mechanisms.
- Decouple Mn removal into precipitation, cation exchange, and surface complexation pathways.
- Use atomistic simulations to resolve surface interactions without ash contributions.
- Link experimental observations with molecular-level adsorption motifs to guide biochar design.
提出的方法
- 将固定床柱和批量实验与在350°C、550°C和700°C制备的油菜籽壳生物炭结合。
- 对四种无灰生物炭模型(W400、W800、S400、S800)及去质子化变体进行原子级分子动力学模拟,研究 Mn 吸附机制。
- 将内配位定义为 Mn–O/N ≤ 0.30 nm,外配位定义为 Mn 与表面杂原子在 0.60 nm 内的结合。
- 量化 Mn 吸收及在模型中的内层-外层贡献的分配。
- 分析 FTIR 以推断 Mn 暴露后表面功能团的变化。

实验结果
研究问题
- RQ1 在不同热解温度和原料条件下,生物炭对 Mn(II) 去除的主导机制是什么?
- RQ2 阳离子交换、表面络合和沉淀分别对 Mn 去除有多大贡献,如何在实验和计算上区分?
- RQ3 表面去质子化如何影响生物炭上的 Mn 吸附图式?
- RQ4 原子级模拟是否能解析无灰、表面特异的 Mn 交互,而 Bulk 实验无法揭示?
- RQ5 为实现针对性 Mn 捕获而设计生物炭的规则是什么?
主要发现
- 高温生物炭(OSR700)实现约 50% 的 Mn 去除,pH 快速上升至约 9,表明在这些条件下沉淀路径占主导。
- 低温生物炭(OSR350/OSR550)去除了 20–30% 的 Mn,pH 接近中性,指示更显著的非沉淀路径包括阳离子交换和表面络合。
- 阳离子交换对 Mn 吸收有贡献,尤以 OSR350/OSR550 为显著,表现为 K+ 及其他阳离子的释放,尽管在高温炭中并未按化学计量解释所有 Mn 吸收。
- 分子动力学显示 Mn 与去质子化的表面基团形成内层配位络合(在 W400-DP 中约占 Mn 吸收的 47.7–57.3%),并在所有模型中存在外层配位;质子化的低温模型则表现出较少的 Mn-表面结合。
- 无灰、去质子化的生物炭表面通过与苯酚/茚醌氧的内层配位实现强力 Mn 吸附,而高孔隙度的高温模型更多依赖孔扩散实现外层 Mn 吸收。
- FTIR 指示 OSR350/OSR550 表面的 Mn–O 相互作用;而 OSR700 的光谱演变有限,与矿物控制的 Mn 保留(沉淀)一致。
![Figure 2 : Representative Mn adsorption motifs on biochar, illustrated for S400-DP and S800. In the deprotonated systems, the dominant motif is an inner-sphere complex (ISC) formed by monodentate coordination to ${-}\text{O}{\vphantom{\text{X}}}^{\vphantom{\smash[t]{\text{2}}}\hphantom{\text{}}\text](https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/2603.22144/assets/Figures/mechanisms.png)
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