ZnO-姜黄素-GO复合材料能够高效同时吸附水中的有毒污染物Pb(II)、Cr(VI)、Cd(II)、亚甲蓝以及抗生素四环素，并具有再生能力

《Environmental Research》：Efficient simultaneous adsorption of toxic contaminants Pb (II), Cr (VI), Cd (II), methylene blue, and antibiotic Tetracycline from water by ZnO-curcumin-GO composite with regeneration

纳米复合材料GZC在真空过滤系统中的应用可有效去除水中的重金属、染料和抗生素，再生后仍保持60%以上的吸附效率，能耗和成本低于传统反渗透技术，具有环境友好和规模化潜力。

　　

Nabanita Chakraborty|Priyabrata Patra|Sunil Kumar|Roy Anindya|Swati Ghosh Acharyya

印度海得拉巴理工学院生物技术系，海得拉巴坎迪，特伦甘纳邦，502285

摘要：

本研究介绍了一种多功能纳米复合材料，由氧化锌（ZnO）、姜黄素和氧化石墨烯（GO）组成（GZC），该复合材料被应用于真空过滤系统中，能够同时去除重金属离子（HMIs）、染料和抗生素。在1毫克/升的剂量下，GZC在10分钟内实现了97 ± 2%的Pb（II）、Cr（VI）、亚甲蓝和四环素的去除率。通过FTIR、TEM、XPS、FESEM和XRD分析验证了其结构完整性和可再生性。吸附后，锌和功能性基团的含量减少了89%，再生后恢复了67%，证明了材料的韧性。将GZC封装在低成本、流量可控的真空泵中，实现了连续流处理，并展示了出色的重复使用性能，在12次再生循环后仍保持超过60%的去除效率。在村庄水源、恒河和市政水源上的实地测试显示，去除效率达到94 ± 2%，使污染物浓度低于世界卫生组织（WHO）规定的标准。实验室试验证实了该复合材料能去除硝酸盐（50 ± 2%）、磷酸盐（80 ± 2%）和阳离子表面活性剂（98 ± 2%）。这种材料的广谱吸附能力、快速动力学和温和的再生特性使其成为可扩展的水净化技术的有力候选者。与传统反渗透（RO）技术相比，这种方法具有更高的能源效率和成本效益。该材料支持大规模生产和实时应用，并具有环境可行性。同时，本文还讨论了社会经济和环境方面的问题，强调了该复合材料在促进公平获取、工业规模化和可持续影响方面的潜力。其在多次吸附-再生循环中的稳定性进一步证明了其耐用性和实际可行性。

引言

工业发展的兴起伴随着大量重金属离子（HMIs）、抗生素和染料的产生，这些物质对环境和健康构成了严重威胁（Huang等人，2019；Gopalakrishnan等人，2015；Wang等人，2021a；Chen等人，2021）。排放到水体中的污染物会导致药物抗性、激素紊乱（Ahmed等人，2023；Ai等人，2019；Alahabadi等人，2023；Chen等人，2021；Yao等人，2020）、高毒性和生态持久性（Fiyadh等人，2019；Mphuthi等人，2023；Arias Arias等人，2020；Jawad等人，2020；Tang等人，2021；Li等人，2022；Xiong等人，2018）。重金属离子和抗生素在水环境中会与有机配体发生络合反应。然而，大多数修复研究仍依赖于pH值，并且仅限于非再生的实验室系统（Fan等人，2021a）。

传统的净水技术，包括离子交换、膜过滤（反渗透、超滤、微滤和纳滤）以及紫外线消毒，虽然具有针对性优势，但在成本、效率和可持续性方面存在显著局限性。离子交换虽然有效，但依赖于昂贵的合成树脂，并可能引发二次污染。膜系统存在渗透通量低、膜污染以及由于能耗高和频繁清洗而导致的运营成本高的问题。反渗透系统尤其效率低下，通常需要丢弃高达70%的进水才能产生30%的饮用水。紫外线消毒装置虽然能提高微生物去除效果，但也会增加能源消耗和系统复杂性。此外，这些系统难以重复使用，需要复杂的再生过程。

吸附技术提供了一种更可持续和实用的替代方案（Gopalakrishnan等人，2015；Hlongwane等人，2019；Kim等人，2023）。该技术操作条件简单，避免了二次污染，并通过调整pH值和温度等参数实现吸附剂的再生。大多数研究证明了新材料在混合污染物系统中的有效性，但这些研究要么依赖于pH值，要么仅限于使用非再生材料的实验室环境。关于Pb（II）、Cr VI、As（V）和Cd（II）的吸附研究主要针对单一系统，而在含有有机污染物（如四环素和亚甲蓝）的二元系统中的研究非常少（Ajiboye等人，2021；Boix等人，2020；Chen等人，2021；Gan等人，2019；Guo等人，2016；Huang等人，2019；Nagpal和Kakkar，2019；Wang等人，2021；Wu等人，2022）。然而，传统的吸附研究通常仅限于实验室环境，很少能在统一的pH范围内实现多种污染物的同时去除。特别是对于重金属来说，它们通常需要特定的pH条件（Eltaweil等人，2021；Rathour等人，2019）。面临的挑战包括回收、高效共去除、pH值依赖性吸附、再生和可回收性（Farghali等人，2021；Yao等人，2020）。

本研究通过开发一种可回收的复合材料来解决这些问题，该复合材料采用旋转真空泵控制的流动系统进行实时地表水处理。这种设置消除了对昂贵固定床柱研究的依赖，固定床柱容易发生通道效应，对于快速反应效率低下，且难以再生，还会产生固体废物。通过结合简单的、可扩展的吸附机制和实用的流量控制，该方法确保了污染物的均匀去除、操作效率和环境兼容性。使用后的材料可以轻松回收并再生，从而延长了复合材料的寿命。它架起了实验室与实际应用的桥梁，为现代水净化提供了一种变革性的解决方案（Ahmad，2023；Bi等人，2021）。该技术专注于减少污染物去除所需的接触时间，且无需调整pH值。因此，它具有改变水处理方式和支持可持续资源管理的巨大潜力。

材料

纯度为99.5%的石墨粉、浓度为1000 ± 4毫克/升的Cd（II）和Pb（II）储备溶液，以及纯度为99.9%的姜黄素（Curcuma longa）从Sigma Aldrich购买。六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂.6H₂O）和氢氧化钾片状物（KOH）从Alfa Aesar购买。S D Fine – Chem Limited（SDFCL）提供了以下试剂：硝酸钠（NaNO₃）、98%的硫酸（H₂SO₄）、高锰酸钾（KMnO₄）、37%的盐酸（HCl）和30%的过氧化氢（H₂O₂）。亚甲蓝

结果与讨论

合成和表征的详细信息见补充材料（S1节和图S1）。

结论

GO–ZnO–Curcumin（GZC）纳米复合材料在真空过滤框架中的应用代表了水净化领域的重大进展。该复合材料能够同时去除阳离子重金属离子（HMIs）、有机染料和新兴污染物，表现出高效性、操作简便性和环境兼容性。其性能超过了反渗透（RO）、膜过滤等传统技术。

CRediT作者贡献声明

Roy Anindya：监督工作。Priyabrata Patra：数据可视化、正式分析。Sunil Kumar Pandu：数据管理。Nabanita Chakraborty：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、软件使用、方法研究、资金申请、正式分析、数据管理、概念构思。Swati Ghosh Acharyya：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金申请

未引用的参考文献

Gan等人，2024；Shao等人，2022；Wang等人，2021b。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢DST-INSPIRE Fellowship [2020/IF200130]、海得拉巴大学卓越研究所（IoE）[UoH/IoE/RC1/RC1 20–024]、女性卓越奖、SERB [SERB/F/4661/2020–2021]以及DST PURSE提供的财政支持。同时，我也感谢德里印度理工学院在ICP-MS分析方面提供的帮助。