利用磁性氧化石墨烯NiFe2O4纳米复合材料从水系统中去除六价铬

《Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A》：Hexavalent chromium removal from aqueous systems using magnetic graphene oxide NiFe2O4 nanocomposites

六价铬污染治理中，石墨烯氧化物/镍铁氧体纳米复合材料（GO/NiFe?O?）通过水热法合成，具有快速吸附（<2小时）、高容量（300 mg/L）和磁性回收特性。吸附机制包含Elovich动力学模型和Sips等温线，显示多层异质吸附及多阶段传质。热力学参数（ΔG?<0，ΔH?<0）表明过程自发且放热，盐酸再生后吸附性能保持率>90%

　　

摘要

六价铬（Cr(VI)）的污染对水生生态系统和人类健康构成长期威胁，因此需要开发具有快速吸附能力、高吸附容量以及易于通过磁力回收的吸附剂。本研究旨在通过水热法合成一种新型的氧化石墨烯/镍铁氧体纳米复合材料（GO/NiFe?O?），将氧化石墨烯（GO）的表面活性与镍铁氧体（NiFe?O?）的铁磁性能结合起来，以实现高效去除六价铬。采用扫描电子显微镜-能量色散谱（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和振动样品磁强计对这种复合材料进行了表征，结果表明该材料在室温下表现出铁磁性质，并且保持了氧化石墨烯中的含氧官能团，这些官能团可作为高亲和力的结合位点。在酸性介质中进行的批量吸附实验（浓度范围为40–300 mg/L）显示出了快速的吸附动力学过程和较短的平衡时间。非线性建模表明Elovich模型能够最好地描述吸附过程，说明材料表面能具有异质性，且吸附过程涉及多阶段的质量传递。20–40°C范围内的平衡数据符合Sips等温线模型，进一步证实了吸附过程的异质多层特性。热力学参数（ΔG? < 0；ΔH? < 0）表明该吸附过程是自发的且放热的。使用盐酸进行的再生测试表明该材料具有高效的脱附性能和可重复使用性。本研究提出的吸附机制包括：六价铬氧阴离子与材料的静电吸引作用、在界面处被还原为三价铬（Cr(III)）、与镍铁氧体及含氧位点的配位作用，以及还原后的阳离子-π相互作用，这些因素共同作用实现了高效的铬去除。这些结果体现了本研究的新颖性——首次系统地将Elovich模型和Sips模型结合起来，用于分析GO/NiFe?O?体系中的吸附动力学和平衡行为，为该材料的高性能和可重复使用性提供了理论依据。