磁性γ-Fe2O3@Cu-La核壳复合材料强化砷去除机制研究

《iScience》：Core-shell structured magnetic γ-Fe2O3@Cu-La composite material for enhanced arsenic removal: Behavior and mechanism

本研究针对砷污染水体治理难题，成功研制出具有磁分离功能的γ-Fe2O3@Cu-La核壳复合材料(CLFO)。该材料通过Cu-La复合氧化物与γ-Fe2O3的协同作用，对As(V)和As(III)的最大吸附容量分别达160.4 mg/g和113.5 mg/g，并通过形成内层表面复合物实现高效去除。材料在pH 6.0-7.0范围内表现优异，且可磁性回收再生，为实际水处理提供创新解决方案。

　　

砷作为一种具有强毒性和致癌性的污染物，对水环境安全和公众健康构成严重威胁。在自然水体中，砷主要以砷酸盐(As(V))和亚砷酸盐(As(III))两种形态存在，其中As(III)具有更高的毒性和迁移性，传统水处理工艺难以有效去除。当前广泛使用的吸附材料如活性氧化铝等存在吸附容量有限、分离困难等问题，而金属有机框架(MOFs)材料虽性能优异但成本高昂、合成复杂，制约其实际应用。因此，开发高效、经济且易于分离再生的新型吸附材料成为砷污染治理的迫切需求。

针对这一挑战，张伟团队创新性地设计了一种核壳结构的磁性γ-Fe₂O₃@Cu-La复合材料(CLFO)。该材料巧妙地将γ-Fe₂O₃的磁分离功能与Cu-La复合氧化物的高吸附性能相结合，通过简单的共沉淀法在室温条件下合成，为砷污染治理提供了新材料选择。

研究团队采用多种表征技术系统分析了材料特性。扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)结果显示，CLFO由不规则形状的纳米颗粒组成，粒径分布在10-200纳米范围。X射线衍射(XRD)谱图证实材料中成功引入了La(OH)₃和CuO晶相，氮气吸附-脱附实验表明材料具有介孔结构，比表面积为17.4 m²/g。特别值得注意的是，材料饱和磁化强度达到50.1 emu/g，远超磁性分离所需的16.3 emu/g阈值，可通过外部磁场实现快速分离。

吸附性能系统评估

通过等温吸附实验发现，CLFO对As(V)和As(III)的吸附行为更符合Langmuir模型，最大吸附容量分别达到160.4 mg/g和113.5 mg/g，优于多数同类材料。动力学研究表明，吸附过程在0-4小时内快速进行，24小时达到平衡，符合准二级动力学模型和颗粒内扩散模型，表明吸附受多种机制共同控制。

环境条件影响机制

pH值实验显示，材料在pH 6.0-7.0范围内表现出最佳吸附性能，恰好覆盖大多数自然水体的pH范围。离子强度实验表明，As(V)和As(III)的吸附均主要通过内层络合机制实现。共存离子影响研究发现，PO₄^3-对As(V)吸附有明显竞争作用，而其他常见离子影响较小，证明材料对砷物种具有良好的选择性。

实际应用潜力验证

再生实验表明，经过4次吸附-脱附循环后，材料仍保持46%以上的原始吸附容量，且离子溶出量低于安全限值。在实际水样处理中，当投加量为30 mg/L时，可将砷浓度从49 μg/L降至10 μg/L以下，满足饮用水标准要求。材料合成成本约为400元/500g，与商用活性氧化铝相当，但具备磁性分离优势，展现出良好的工程应用前景。

吸附机理深入解析

通过Zeta电位、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等技术，研究人员揭示了砷的去除机理。Zeta电位测试发现，As(V)吸附后材料的等电点从7.4降至6.7，而As(III)吸附后变化不明显，表明两者吸附机制存在差异。FTIR光谱显示，As(V)吸附后出现了As(V)-O-M特征峰(852 cm^-1)，证实了内层络合物的形成。XPS分析进一步表明，As 3d结合能分别为45.2 eV(As(V))和44.4 eV(As(III))，吸附后La 3d和Cu 2p峰位发生位移，说明La-OH和Cu-OH基团参与了配体交换反应。

研究表明，CLFO材料通过核壳结构设计成功整合了磁性分离与高效吸附双重功能。γ-Fe₂O₃核心主要提供磁响应性能，而Cu-La复合氧化物外壳则负责砷的特异性吸附。砷物种通过配体交换反应取代表面羟基，形成稳定的内层表面络合物，从而实现高效去除。

该研究不仅开发了一种性能优异的砷吸附材料，更通过系统的机理研究深化了对重金属离子吸附过程的理解。材料兼具高效性、选择性、可再生性和磁性分离便利性等优势，为实际水处理工程提供了可靠的技术选择。尽管研究在实验室条件下取得了显著成果，但作者也指出未来需要开展中试规模试验，评估材料在实际复杂水体中的长期稳定性，并探索与其他水处理技术的集成应用策略。

这项发表于《iScience》的研究工作，为解决全球性砷污染问题提供了创新性解决方案，在环境功能材料设计和水污染控制技术发展方面具有重要科学意义和实际应用价值。