磁性Fe2O3@生物炭水凝胶同步去除废水中Cr6+和有机染料的性能与机制研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Performance and Mechanism of Magnetisable-Fe 2O 3@Biochar Hydrogel for the Removal of Organic Dyes Containing Cr6+ from Wastewater

本研究针对重金属Cr6+与有机染料共存废水治理难题，开发了磁性Fe2O3修饰浒苔生物炭水凝胶(MFe2O3-EBC-HD)。该材料对Cr6+和刚果红的最大吸附容量分别达53.36 mg·g-1和128.04 mg·g-1，揭示了竞争吸附与协同增强的双重作用机制，为复合污染物治理提供了新技术方案。

　　

随着工业化和城镇化进程的加速，含有重金属和有机染料的工业废水对水环境构成严重威胁。其中，六价铬(Cr⁶⁺)作为一种高毒性重金属，具有致癌、致突变特性，可通过食物链在生物体内富集；而刚果红作为典型的阴离子偶氮染料，在自然环境中稳定性高，降解过程中可能产生致癌副产物。当这两种污染物在废水中共存时，会产生复杂的物理化学相互作用，如络合、氧化还原等反应，显著增加了治理难度。

目前，虽然存在吸附、膜分离、电化学处理等多种废水处理技术，但能够同时高效去除重金属和有机染料的材料仍面临挑战。传统吸附材料往往存在吸附容量有限、分离回收困难、制备成本高等问题。特别是对于复合污染体系，污染物之间的竞争吸附效应会进一步降低处理效率。因此，开发一种能够协同吸附多种污染物、且易于回收再利用的新型环境功能材料具有重要意义。

在这项发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究中，青岛理工大学的研究团队创新性地制备了一种磁性氧化铁修饰浒苔生物炭水凝胶(MFe₂O₃-EBC-HD)，用于同步去除废水中的Cr⁶⁺和刚果红。该材料以海洋废弃物浒苔为生物质原料，通过碳化和交联反应形成三维网络结构的水凝胶基质，并引入Fe₂O₃纳米颗粒赋予其磁分离性能。

研究采用的主要技术方法包括：以浒苔为原料制备生物炭基质，通过共沉淀法负载Fe₂O₃纳米颗粒构建磁性复合材料，利用扫描电子显微镜(SEM)表征材料形貌，通过批量吸附实验评估材料对单一和复合污染体系的吸附性能，运用动力学和等温线模型拟合吸附过程，结合X射线光电子能谱(XPS)等技术解析吸附机制。

材料形貌表征

扫描电镜结果显示，未修饰的Fe₂O₃-EBC-HD表面较为光滑，结构紧密均匀；而MFe₂O₃-EBC-HD则呈现疏松多孔结构，表面存在大量突起，增加了比表面积和反应位点。吸附污染物后，材料孔结构减少，表面出现明显团聚现象，证实了污染物在材料表面的成功负载。

吸附性能研究

吸附实验表明，MFe₂O₃-EBC-HD对刚果红和Cr⁶⁺的最大吸附容量分别达到128.04 mg·g^-1和53.36 mg·g^-1，显著高于许多已报道的吸附材料。在二元污染体系中，两种污染物之间存在复杂的相互作用：HCrO₄^-(Cr₆₊)会与刚果红竞争水凝胶中的质子化氨基位点，削弱对刚果红的静电吸引，导致其吸附率下降；而吸附的刚果红提供的含氮官能团和增加的-SO₃^-基团又能增强水凝胶对Cr⁶⁺的静电吸引，提高其吸附容量。

吸附机制解析

研究表明，刚果红的吸附主要通过Fe与-NH₂的表面络合、电子转移以及含氧官能团反应实现；而Cr⁶⁺的吸附则涉及范德华力、共价键、-CH/-COOH基团的氧化还原反应、质子化羟基(-OH²⁺)的静电吸引以及与还原产物Cr³⁺的络合作用。这种多机制协同作用的吸附模式确保了材料对两类污染物的高效去除。

研究结论表明，MFe₂O₃-EBC-HD作为一种低成本、可生物降解且具有磁分离性能的新型吸附材料，在复合污染废水处理中展现出良好应用前景。该研究不仅为解决重金属-有机染料复合污染问题提供了新材料选择，更重要的是揭示了二元体系中污染物之间的相互作用机制，为设计高效多污染物同步去除材料提供了理论指导。这种基于海洋废弃生物质的环境功能材料开发策略，也体现了"以废治废"的绿色环保理念，在环境修复领域具有重要的科学意义和应用价值。