前文标题：Adiantum capillus-veneris干燥生物质对水溶液中Cd2+和Cr6+离子的吸附行为研究

《Total Environment Engineering》：Previous Title: Biosorptive behavior of Adiantum capillus-veneris dried biomass for the removal of Cd2+ and Cr6+ ions from aqueous system

本研究以自然蕨类植物Adiantum capillus-veneris干燥粉末为吸附剂，优化pH（2-5）、温度（313K）、吸附剂剂量（4g/L）和接触时间（90分钟），最大吸附量达Cd2? 98.40 mg/g和Cr?? 81.60 mg/g。通过响应面法、SEM-EDAX和FTIR分析，确认Cr??吸附以化学吸附为主，表面电荷特性影响吸附效率。该生物吸附剂无需化学修饰，具有环境友好、成本低廉的特点，为重金属废水处理提供新方案。

　　

Sk Salek Sohel | Soma Sukul | Bhuman Gangopadhyay | Dipankar Chattopadhyay

摘要

目前，废水管理策略主要集中在廉价且对环境友好的吸附工艺上。尽管多种生物吸附剂（如藻类、农业废弃物、生物炭/活性炭和细菌）在处理重金属方面显示出良好的效果，但仍存在一些挑战，例如藻类培养的维护问题、复杂的预处理过程以及成本问题。因此，我们探索使用一种本地野生蕨类植物Adiantum capillus-veneris的干燥粉末形式作为低成本吸附剂，用于去除有毒的重金属镉（II）和铬（VI）。通过优化接触时间、pH值、初始金属浓度和生物质剂量，进行了批量研究。使用SEM-EDAX、FTIR和Zeta电位法对所使用的生物质进行了表征。通过等温模型和动力学及热力学研究，确定了Cd²⁺和Cr⁶⁺的吸附机制，并研究了吸附性质。在该条件下，Adiantum capillus-veneris对Cr⁶⁺的最大吸附量为81.60 mg g^-1（pH 2，313 K），对Cd²⁺的最大吸附量为98.40 mg g^-1（pH 5，313 K），平衡时间为90分钟。通过响应面法（Response Surface Methodology）的中央复合设计（CCD）对实验优化的参数进行了统计评估。由此可见，Adiantum capillus-veneris在推动环境可持续性方面具有巨大潜力。

引言

快速的城市化、工业扩张以及资源的不当利用将污染物引入了我们的环境。其中，有毒金属由于其持久性、不可生物降解性和严重的健康危害而受到了科学界的广泛关注（Sharma等人，2015年）。未经适当处理的工业废水排放是环境重金属污染的主要来源。冶金、纺织和制革业、电子制造业等行业的废水排放量以及过时的处理技术导致了生态系统中大量的重金属污染（Fer?u等人，2024年）。

即使在微量水平下，像铬（Cr??）和镉（Cd2?）这样的有毒重金属也会对水生生态系统和人类健康造成严重危害，导致肾脏功能障碍、心血管损伤、呼吸系统疾病、发育迟缓和生殖毒性（Dev等人，2024年；Ma等人，2024年）。六价铬（Cr??）是一种强致癌物，在水环境中具有高度移动性。因此，我们选择研究Cd2?和Cr??，因为它们具有高毒性、在环境中稳定性强，并且在水中普遍存在。

传统的重金属去除技术由于过度使用昂贵且危险的化学物质而显得过时（Baral & Engelken，2002年）。相比之下，非生物植物生物质材料在去除水环境中微量金属方面的有效性已经得到证实（Hanif等人，2006年）。有效的生物吸附剂成本低廉、全年可用、质量稳定、易于生长或收获、所需处理过程简单，并且在应用过程中确保生态安全（Gadd等人，2009年；Farooq等人，2010年）。

基于植物的生物吸附剂在其组成中包含天然生物聚合物，如纤维素、半纤维素或木质素。通过化学修饰，可以降低木质素的复杂结构和纤维素的结晶度，从而暴露出关键的功能基团（Chen等人，2013年）。

蕨类植物是一类维管隐花植物，全球约有13,000种，但在生物吸附研究中的关注较少。Ma等人（2004年）首次指出蕨类植物在空气干燥生物质中去除重金属的作用。蕨类植物是多种次生代谢物的来源，在不进行任何化学处理的情况下能与强重金属离子相互作用。最近，关于蕨类植物作为重金属超积累体的研究较少（Praveen等人，2020年；Pal等人，2022年），但对其生物吸附潜力的探索也相对不足。因此，在本研究中，我们选择了Adiantum capillus-veneris作为低成本、简单且有效的吸附剂，用于大规模处理废水，因为它不需要任何化学活化或修饰。选择这种植物的另一个重要原因是其天然形式避免了复杂的预处理过程，减少了合成聚合所需的时间，并消除了生产活性炭的成本。

本研究的目标是评估Adiantum capillus-veneris生物质去除水溶液中Cd²⁺和Cr⁶⁺离子的生物吸附潜力。优化关键工艺参数，如pH值、温度、生物吸附剂用量以及初始和二元金属离子浓度，以实现最大去除效果。通过等温线、热力学和动力学模型研究吸附行为，确定限制步骤和相互作用机制。使用FTIR和SEM-EDAX对生物吸附剂表面进行表征。此外，还研究了混合金属系统中竞争离子的影响，并评估了生物吸附剂的重复使用性和再生能力。

部分内容摘录

植物材料

Adiantum capillus-veneris (ACV)的植物样本采集自印度西孟加拉邦的Bhadrakali（纬度：22° 40′ 29.2368′N；经度：88° 20′ 50.0532′E）。样品用去离子水清洗后，在60°C的热风干燥箱中干燥24小时。干燥后的生物吸附剂被研磨成细粉，然后使用BSS 52-BSS 400、300 μ - 370μ（印度实验室设备）筛分以获得所需的粒径。制备好的生物吸附剂被妥善储存。

Zeta电位

Zeta电位值有助于评估生物质表面的净有效电荷。Zetasizer仪器帮助确定了ACV生物质在150万次扫描下的零电荷点（PzC），覆盖了99.4%的表面积（见图S5）。实验中的生物质样本在pH值高于2时显示负Zeta电位值，而在pH值1.9时出现零电荷点（pzc，0 mV）。因此，生物质表面带正电荷。

结论

本研究证实了使用Adiantum capillus-veneris叶片去除Cd²⁺和Cr⁶⁺的有效性和成本效益。批量研究表明，最佳参数为pH 2（对于Cr⁶⁺）和pH 5（对于Cd²⁺），接触时间为90分钟，吸附剂用量为4g/L，粒径为37μ-52μ。热力学研究显示，Cr⁶⁺表现为单层吸附，表明其吸附过程主要受化学吸附控制，可能是通过表面配位作用实现的。同时，Cd²⁺

未引用的参考文献

Ahmady-Asbchin等人，2012年；Aiyesanmi等人，2020年；Hegazy等人，2023年；Ho和McKay，1999年；Ho等人，2004年；Prabhu等人，2018年；Sajad-Ur-Rehman和Shah，2023年；Shah等人，2018年；Sumalatha等人，2018年；Tripathi，2013年；Vaghetti等人，2009年；Boddu等人，2020年；Babu等人，2014年

CRediT作者贡献声明

Sk Salek Sohel：数据整理、研究、软件使用、初稿撰写。Soma Sukul：概念构思、正式分析、资金获取、方法论制定、资源协调、监督。Bhuman Gangopadhyay：资源提供。Dipankar Chattopadhyay：监督、资源协调、方法论制定。

利益冲突声明

作者声明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-FIST、UGC-DRS植物学系以及Visva-Bharati大学为研究提供场地和仪器支持。作者特别感谢Visva-Bharati大学土壤科学与农业化学系的Goutam Ghosh教授提供的AAS分析帮助；感谢Calcutta大学聚合物科学与技术系的Helen Chattopadhyay博士进行的Zeta电位测量；以及Calcutta大学聚合物科学系的Dipankar Chakraborty实验室和S. Balachandran博士在FTIR分析方面的支持。