基于蛋黄果绿色合成磁性纳米颗粒的高效汞吸附剂开发及其机理研究

《Results in Materials》：Green synthesis of iron nanoparticles from Pouteria caimito: An effective adsorbent for mercury (Hg) in aqueous solutions

本研究针对水体汞污染治理难题，开发了利用蛋黄果(Pouteria caimito)提取物绿色合成的Fe3O4纳米颗粒(MNps-PC)。该材料通过共沉淀法合成，表征显示其具有13.49 nm平均粒径和单分散特性。吸附实验表明MNps-PC对Hg(II)的去除率达96%，最大吸附容量为52.63 mg/g，符合Langmuir模型和准二级动力学，表明为单层化学吸附。材料在pH>5.38时表现最佳，且吸附过程可自发进行(ΔG°<0)。该生物合成方法为重金属污染治理提供了绿色解决方案。

　　

汞作为最具毒性的重金属之一，对人类健康和生态系统构成严重威胁。随着工业化和矿产开发的快速发展，汞通过工业排放、金矿开采和化石燃料燃烧等途径大量进入水环境。尤其值得关注的是，汞在自然环境中会转化为甲基汞这种高毒性有机形态，通过食物链富集放大，最终对人类神经系统造成不可逆损伤。传统的水处理技术往往面临成本高、效率低或二次污染等问题，因此开发高效、环保的重金属吸附材料成为环境领域的研究热点。

近年来，纳米技术为重金属污染治理提供了新思路。在众多纳米材料中，磁铁矿(Fe₃O₄)纳米颗粒因其独特的超顺磁性、高比表面积和良好的生物相容性而备受关注。然而，传统的化学合成方法往往使用有毒试剂，对环境不友好。绿色合成技术利用植物提取物作为还原剂和稳定剂，不仅降低了合成过程的环境影响，还能赋予纳米材料额外的功能特性。在这项发表于《Results in Materials》的研究中，科研团队创新性地利用厄瓜多尔特有植物蛋黄果(Pouteria caimito)的果皮提取物，开发了一种新型磁性纳米吸附剂，为汞污染治理提供了可持续解决方案。

研究团队采用多学科交叉的研究方法，主要包括绿色合成技术、材料表征技术和吸附性能评估体系。通过共沉淀法在室温条件下合成MNps-PC，利用UV-Vis、FTIR、SEM、TEM、EDS和激光粒度分析等技术对材料进行系统表征。吸附实验考察了溶液体积、pH值、初始浓度和温度等因素对汞去除效果的影响，并通过吸附等温线、动力学和热力学模型深入探究吸附机理。

4.1. 磁铁矿纳米颗粒(MNps-PC)的合成

研究通过共沉淀法成功合成MNps-PC，使用FeCl₂·4H₂O和FeCl₃·6H₂O作为前驱体，蛋黄果提取物作为还原剂和稳定剂。在pH=10条件下形成黑色磁流体，经洗涤干燥后获得纳米颗粒，合成产率达73%。与仅关注无机Fe₃O₄含量的传统化学合成相比，该绿色合成方法因植物提取物中有机物的存在而获得更高产率。

4.2. 磁铁矿纳米颗粒(MNps-PC)的表征

UV-Vis光谱在232 nm处显示特征吸收峰，证实Fe₃O₄纳米颗粒的成功形成和功能化。FTIR分析揭示MNps-PC表面存在羟基(3397 cm^-1)、羰基(1720 cm^-1)等关键官能团，以及Fe-O键(532 cm^-1)，表明蛋黄果中的多酚类化合物与铁离子形成了稳定的配位结构。TEM显示纳米颗粒呈球形，平均粒径为13.49 nm，分布范围在7.56-19.97 nm之间。EDS分析证实材料主要由铁(60.65%)和氧(32.71%)组成，接近磁铁矿的理论组成。

4.3. 纳米颗粒作为汞保留剂的可行性

吸附实验表明，30%提取物浓度的MNps-PC表现最佳。在500 mL溶液体积、pH=6条件下，0.1 g吸附剂对1 mg/L汞溶液的去除率高达96.37%，最佳接触时间为15分钟。零电位点(PZC)测定为5.38，当pH>5.38时材料表面对汞离子有更强吸附能力。吸附容量随初始汞浓度增加而降低，在1 mg/L时达到最大去除率，而在80 mg/L时降至12.36%。温度影响研究表明，25°C时吸附过程最稳定，材料在25-45°C范围内均保持90%以上的去除效率。

4.4. 吸附等温线

Langmuir和Freundlich模型拟合结果表明，汞吸附过程更符合Langmuir模型(R²=0.8959)，最大吸附容量为52.63 mg/g，表明为单层吸附机制。这一性能优于许多已报道的吸附剂，如壳聚糖包覆磁铁矿(9.34 mg/g)和磁性Fe-Mn吸附剂(5.408 mg/g)。

4.5. 吸附动力学

准一级和准二级动力学模型分析显示，汞吸附过程更符合准二级动力学模型(R²≥0.9984)，表明为化学吸附机制，涉及吸附剂与吸附质之间的强化学键合。

4.6. 热力学分析

热力学参数计算显示，ΔG°值为负(-8.76至-6.01 kJ/mol)，表明吸附过程为自发进行；ΔH°为负值(-16.90 kJ/mol)证实为放热反应；ΔS°为负值(-29.91 kJ/mol·K)表明固-液界面无序度降低。

4.7. 统计分析

ANOVA分析证实，在25-45°C温度范围和100-500 mL溶液体积范围内，吸附效率无显著差异(p>0.05)，证明MNps-PC在不同操作条件下均保持稳定性能。

4.8. 吸附机理

综合研究表明，汞吸附主要通过静电相互作用和化学络合双重机制进行。在pH>PZC时，带负电的MNps-PC表面与Hg²⁺发生静电吸引；同时，材料表面的有机官能团与汞离子形成稳定配合物。

4.9. 解吸分析

使用0.1 M HCl和HNO₃进行解吸实验，30分钟内解吸率分别仅为1.91%和2.05%，且随汞浓度增加而降低，证实吸附过程的高度不可逆性和稳定性。

4.10. 可重复使用性

经过三个吸附-解吸循环后，MNps-PC的汞去除效率从96%降至68%(HNO₃处理)和94%降至52%(HCl处理)，表明材料具有一定的再生潜力，但活性位点会随循环次数增加而逐渐损失。

4.11. 未来展望与挑战

尽管MNps-PC在汞去除方面表现出色，但其在实际应用中的稳定性、对其他重金属的吸附性能以及长期环境安全性仍需进一步评估。未来研究应关注材料的规模化生产、多金属共存体系的吸附性能以及废弃物处理策略。

本研究成功开发了一种基于蛋黄果提取物的绿色合成磁性纳米吸附剂，该材料对水体中的汞离子表现出卓越的吸附性能。通过系统的表征和机理研究，证实MNps-PC具有高比表面积、丰富的表面官能团和良好的磁性分离特性。吸附过程符合Langmuir单层吸附模型和准二级动力学，最大吸附容量达52.63 mg/g，去除效率达96%。热力学分析表明吸附为自发、放热过程。低解吸率(＜2.05%)证明吸附稳定性高，循环使用实验显示材料具有一定再生能力。这项研究不仅为汞污染治理提供了一种高效、绿色的解决方案，也为植物提取物在纳米材料合成中的应用开辟了新途径，对推动可持续环境技术的发展具有重要意义。