磁性磁铁矿与硫复铁矿纳米颗粒分散松木生物炭协同吸附水中 Pb2+和 Cd2+：开启废水治理新篇

为解决水中铅（Pb2+）和镉（Cd2+）等重金属污染问题，研究人员开展了磁性磁铁矿与硫复铁矿纳米颗粒分散松木生物炭对 Pb2+和 Cd2+吸附的研究。结果表明该材料吸附性能良好，为废水处理提供新选择。

　　在工业飞速发展的当下，重金属污染问题日益严峻。铅（Pb）和镉（Cd）等重金属，如同隐藏在水中的 “杀手”，即使含量较低，也会对所有生物造成严重危害。这些重金属广泛来源于采矿、冶炼、电池生产等多个行业，一旦进入水体，便会在水生态系统中肆意 “作恶”，威胁生物健康。美国环境保护署（EPA）为此制定了严格标准，规定饮用水中铅和镉的最高允许含量分别为 0.015mg/L 和 0.005mg/L 。然而，传统的重金属污染治理方法存在诸多弊端，开发高效且经济的处理手段迫在眉睫。

在此背景下，来自国外（具体为 Prairie View A&M University）的研究人员开展了一项具有重要意义的研究。他们将目光聚焦于磁性磁铁矿（Fe₃O₄）和硫复铁矿（Fe₃S₄）纳米颗粒分散的松木生物炭（BC），探究其对水中 Pb²⁺和 Cd²⁺的吸附性能。研究成果发表在《Cleaner Water》上，为解决重金属水污染问题带来了新的希望。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过特定的实验流程，将松木生物质转化为生物炭，并在其表面成功合成 Fe₃O₄和 Fe₃S₄纳米颗粒 。在材料表征过程中，借助元素分析、表面面积分析、接触角测量、热重分析（TGA）、X 射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT - IR）和 X 射线衍射（XRD）等技术，对生物炭和 Fe₃O₄-Fe₃S₄/BC 进行了全面分析 。在吸附实验中，采用原子吸收光谱仪（AAS）测定剩余的 Pb²⁺和 Cd²⁺浓度，以此研究吸附性能 。

下面来详细看看研究结果：

1. 材料特性分析：对 BC³⁵⁰、BC⁴⁰⁰、BC⁴⁵⁰和 Fe₃O₄-Fe₃S₄/BC 进行元素分析、表面面积分析和接触角测量。结果显示，随着热解温度升高，生物炭中碳含量增加，氧含量减少 。Fe₃O₄-Fe₃S₄/BC 因 Fe₃S₄纳米颗粒沉积，硫含量增加，比表面积增大，且呈现亲水性 。TGA 分析表明，不同材料在不同温度区间有不同程度的重量损失，且剩余重量与灰分含量相符 。XPS 分析确定了材料表面元素组成及原子百分比变化，发现吸附 Pb²⁺和 Cd²⁺后，元素峰发生位移 。SEM 观察到 BC⁴⁰⁰表面均匀，而 Fe₃O₄-Fe₃S₄/BC 表面有非均匀立方状纳米颗粒，吸附 Pb²⁺和 Cd²⁺后，表面元素分布改变 。FT - IR 分析显示，松木生物质的一些官能团在热解过程中消失，Fe₃O₄-Fe₃S₄/BC 出现新的与 Fe 相关的峰，且吸附 Pb²⁺和 Cd²⁺后峰强度改变 。XRD 分析表明，Fe₃O₄-Fe₃S₄/BC 存在 Fe₃O₄、Fe₃S₄和 Fe₇S₈等结晶相，平均晶粒尺寸约为 20nm 。
2. 吸附性能研究：研究初始溶液 pH 对吸附的影响，发现 pH = 5 时，Pb²⁺和 Cd²⁺在 Fe₃O₄-Fe₃S₄/BC 上的吸附容量最高，酸性过强时，H⁺竞争导致吸附容量降低 。吸附动力学研究表明，Pb²⁺和 Cd²⁺的吸附符合准二级动力学模型，Pb²⁺在 125μmol/L 初始浓度下的准二级速率常数高于 Cd²⁺，且二者分别在 120min 和 30min 达到吸附平衡 。吸附等温线研究显示，Pb²⁺和 Cd²⁺的吸附符合 Langmuir 模型，表明是单层吸附，Pb²⁺的 Langmuir 吸附容量为 670.6μmol/g（138.9mg/g），Cd²⁺为 440.1μmol/g（49.5mg/g），Pb²⁺对材料表面的选择性约为 Cd²⁺的 1.5 倍 。离子强度实验表明，高离子强度会降低 Pb²⁺和 Cd²⁺的吸附容量，因为 Na⁺会竞争活性位点 。竞争吸附实验发现，Pb²⁺对 Fe₃O₄-Fe₃S₄/BC 的选择性高于 Cd²⁺ 。剂量优化实验确定，不同初始浓度下，达到最佳去除率的 Fe₃O₄-Fe₃S₄/BC 剂量不同 。

综合研究结论和讨论部分，Fe₃O₄-Fe₃S₄/BC 在吸附水中 Pb²⁺和 Cd²⁺方面展现出卓越性能，其吸附容量分别约为 BC⁴⁰⁰的 5.1 倍和 3.3 倍 。该研究不仅揭示了材料的吸附特性，还为在不同溶液条件下（如不同 pH、竞争离子、离子强度）处理含 Pb²⁺和 Cd²⁺的废水提供了理论依据和实践指导 。同时，研究人员也指出，未来还可对材料的再生、连续流吸附以及对其他污染物的适用性展开进一步研究，这为后续的研究工作指明了方向，有望推动重金属废水处理领域的持续发展，为保障水生态环境和生物健康提供更有力的支持 。