Zn-Al层状双氢氧化物/氧化石墨烯/明胶三元复合水凝胶：Cr(VI)吸附与再生特性评估及其环境修复意义

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Zn-Al layered double hydroxide/graphene oxide/gelatin ternary composite hydrogels: Evaluation of Cr(VI) adsorption and regeneration characteristics

本研究创新性地构建了Zn-Al层状双氢氧化物（LDH）/氧化石墨烯（GO）/明胶三元复合水凝胶，用于高效去除水体中剧毒的Cr(VI)氧阴离子。该材料通过LDH纳米片锚定于GO表面并嵌入明胶基质，形成具有狭缝状介孔结构（平均孔径2.65 nm）的球形水凝胶，显著提升了热稳定性和机械强度。研究证实其最大单层吸附容量达14.77 mg/g，吸附机制涉及静电吸引、表面络合、离子交换及Cr(VI)还原为Cr(III)的协同作用。尽管吸附效率在4次NaOH再生循环后降至50%以下，但该材料在电镀废水处理中展现出实际应用潜力，且纳米填料的固定化有效避免了二次污染。

　　

亮点

GO-LDH与明胶在ZLG中的优化配比以实现最佳吸附

通过滴乳乳化技术制备ZLG三元水凝胶，通过直接混合不同质量比的GO-LDH纳米复合材料与固定质量（2克）的明胶聚合物实现优化。简言之，明胶量保持为2克，纳米复合材料的添加量分别为0.1克、0.2克和0.3克。反应混合物的总体积保持为20毫升。图1展示了制备三元水凝胶的逐步过程。纳米填料（GO-LDH）的负载量显著影响水凝胶的结构完整性和吸附性能。优化过程旨在平衡机械强度、孔隙率和活性吸附位点的可用性。

结论

本研究提出开发一种包含Zn-Al LDH、GO和明胶的三元纳米复合水凝胶，用于从水中吸附去除Cr(VI)氧阴离子。通过乳化技术获得了球形水凝胶，并优化了重量配比。片状LDH装饰在GO片层上，纳米填料被嵌入聚合物基质内部，防止了填料的浸出。水凝胶具有狭缝状介孔，平均孔径为2.65纳米，这有利于污染物的扩散。纳米填料的加入增强了水凝胶的热稳定性和机械性能。该三元系统对Cr(VI)的最大单层吸附容量为14.77毫克/克。吸附过程受到磷酸根和硫酸根等共存离子的显著影响。使用氢氧化钠（NaOH）作为脱附剂，经过四次连续的吸附-脱附循环后，吸附效率下降到50%以下。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，吸附后部分Cr(VI)被还原为毒性较低的Cr(III)，吸附机制包括静电吸引、表面络合和离子交换。此外，该水凝胶在对实际电镀工业废水中存在的Cr(VI)进行处理时，显示出显著的吸附性能。将纳米填料固定在聚合物基质内，防止了粉末状吸附剂浸出可能造成的二次污染。同时，填料与聚合物之间的协同相互作用增强三元系统的整体吸附特性。这些发现表明，三元水凝胶作为去除Cr(VI)的潜在吸附剂是可行的。