《Nano TransMed》：Selective sequential extraction of copper from soil using GSCQD/ZnFe?O? nanocomposite in continuous flow system
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土壤纳米复合材料修复技术研究：基于花生壳碳量子点/锌铁氧体纳米复合材料的铜污染治理。采用连续流洗涤系统结合选择性顺序提取（SSE）分析，证实该材料在pH7、500ppm浓度、0.5mL/min流速下24小时处理可使铜去除率达80%以上，有效去除交换态、碳酸盐结合态等5种土壤相中的铜，兼具环境友好性和资源化优势。
Fredrick K. Saah | Garima Nagpal
物理与环境科学系，Sharda基础科学与研究学院，Sharda大学，大诺伊达，北方邦201310，印度
摘要
铜（Cu(II)）对土壤的污染是一种危险的环境和公共卫生危害，因为它具有生物累积性和持久性。本研究考察了花生壳碳量子点-锌铁氧体（GSCQD/ZnFe?O?）纳米复合材料在连续流动洗涤系统中结合选择性顺序提取（SSE）去除受污染土壤中Cu(II)的效果。该纳米复合材料通过共沉淀和水热法制备，经过表征后用于人工添加铜的土壤中测试。结构与表面特性分析（PL、UV–vis、FT-IR、XRD、FE-SEM、TEM、zeta电位）证实了吸附剂的物理化学性质。通过逐步优化关键操作参数（如纳米流体浓度、pH值、流速和接触时间），发现当参数为500 ppm纳米流体、pH 7、0.5 mL/min流速、24小时处理时，Cu(II)的去除效率超过80%。SSE分析表明，GSCQD/ZnFe?O?不仅从可交换组分（100%）中去除铜，还从碳酸盐（80%）、氧化物/氢氧化物（78%）、有机质（60%）和残余组分（58%）中去除铜，这证明了其在不同土壤相中的整体有效性。这些发现表明GSCQD/ZnFe?O?是一种可持续的、生物来源的纳米复合材料，在大规模土壤修复方面具有巨大潜力，同时实现了农业废弃物的增值和重金属的解毒。
引言
全球范围内，重金属对土壤的污染已成为一个严重的环境问题，农业集约化、工业废水和采矿活动是导致有毒金属浓度升高的主要原因[1]。其中，铜（Cu(II)）特别值得关注，因为它既是必需的微量元素，又在高浓度下可能成为污染物[2]。虽然微量的铜对酶促过程和植物生长至关重要，但其过量积累可能会破坏微生物群落，抑制植物生理功能，并通过食物链传递对健康造成危害[3]。因此，开发高效、可持续且具有选择性的Cu(II)修复方法不仅是一个环境问题，也是一个公共卫生问题。
传统的重金属去除方法，如化学沉淀、离子交换和土壤洗涤，往往存在二次污染、选择性低和运行成本高的缺点[4]。纳米技术修复是一种新兴的选择，它具有更高的表面活性、可调节的物理化学性质，并且可以针对特定应用进行设计[5]。来自生物质前体的碳量子点（CQDs）因其制备过程环保、高吸附能力和功能性表面基团而受到重视[6]。将CQDs与铁氧体纳米材料结合使用可以进一步提高修复效果，因为铁氧体具有磁性分离性、化学稳定性和协同吸附位点[7]。
花生壳是一种容易获得的农业废弃物，可作为合成CQDs的环保前体，从而将修复与循环经济相结合[8]。将其改造成花生壳碳量子点（GSCQDs）并与锌铁氧体结合，可以得到一种集表面反应性和易于从处理介质中回收的纳米复合材料（GSCQD/ZnFe?O?）。这种生物衍生纳米复合材料不仅实现了农业废弃物的增值，还减少了对资源密集型合成材料的依赖。
本研究中使用的纳米材料GSCQD是通过水热法合成的，而纳米复合材料（GSCQD/ZnFe?O?）则是通过共沉淀法制备的[9]。本研究重点关注将其应用于土壤系统，并利用选择性顺序提取（SSE）程序来去除铜。
这种选择性顺序提取方法旨在研究Cu(II)离子与土壤各组分之间的相互作用。通过将金属分为可交换组分、碳酸盐结合组分、氧化物/氢氧化物结合组分、有机质结合组分和残余组分，SSE提供了关于金属迁移性、生物可利用性和结合亲和力的更深入信息[10]。结合纳米复合材料修复技术，SSE不仅可以评估金属在土壤各组分间的迁移性，还可以评估固定或去除Cu(II)的效率。
选择SSE提取技术而非BCR和Tessier方案的理由在于其更高的相位特异性和更低的金属组分再分布。该方法更适用于土壤-纳米复合材料系统。相比之下，BCR方法在实验过程中会导致金属在组分间的显著再分布[11]。此外，尽管Tessier方法在金属选择性上优于BCR，但其相位选择性存在重叠[12]。这两种方法之间的差异有助于更清晰地划分金属结合形式，并在使用SSE技术顺序提取上述五种组分中的Cu(II)离子时更准确地评估其迁移性和生物可利用性。
因此，本研究探讨了在GSCQD/ZnFe?O?纳米复合材料处理过的土壤中Cu(II)离子的选择性顺序提取。研究重点在于解释Cu(II)在土壤各组分中的结合行为，评估基于生物的纳米复合材料的有效性，并推广绿色纳米技术在土壤修复中的应用。
材料与化学品
为确保准确性和可重复性，使用了高纯度的分析级试剂。Zn(NO?)?·6H?O和Fe(NO?)?·9H?O分别作为Zn2?和Fe3?的来源。使用HCl和NaOH调节溶液pH值，蒸馏水作为溶剂。花生壳作为碳量子点的合成前体。
GSCQD/ZnFe?O?的合成
GSCQDs通过水热法合成，随后通过共沉淀与ZnFe?O?结合。简而言之，2克
UV–vis与光致发光分析
GSCQDs的UV-Vis光谱在210、280和360 nm处显示出明显的峰值（图2），分别对应于芳香C=C键的π-π跃迁和C=O基团的n-π跃迁。这些结果表明，该材料同时具有共轭的石墨结构和水氧化表面官能团。此外，光致发光实验显示，在紫外光激发下产生强烈的绿色荧光，而水分散液呈现棕色
结论
本研究有效证明了GSCQD/ZnFe?O?纳米复合材料在连续流动装置中去除受污染土壤中铜（Cu(II)的有效性。通过系统地优化关键操作参数（纳米流体浓度、pH值、流速和接触时间），该系统实现了显著的去除效果
CRediT作者贡献声明
Garima Nagpal：监督、方法论、数据分析、概念构思。Fredrick K. Saah：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、实验研究、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者们没有需要披露的财务或利益冲突。
致谢
作者们感谢所有为这项研究的成功做出贡献的人士。
