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为解决工业废水中镉、铜等重金属污染问题，研究人员以钴铁氧体 / 活性炭（COF/AC）复合材料为吸附剂，开展超声辅助去除效率研究。通过响应面法（RSM）优化参数，发现最佳条件下镉、铜去除率达 93.46% 和 97.45%，且材料可重复使用，为重金属废水处理提供新路径。
工业发展如同双刃剑，在创造巨大物质财富的同时，也带来了严峻的环境污染挑战。重金属污染作为其中的 “顽固分子”，正悄然侵蚀着人类赖以生存的生态环境。镉（Cd）具有极强的毒性和长达 30 年的人体骨骼半衰期，不仅会引发肾损伤、慢性肺病等多种疾病，还被世界卫生组织（WHO）列为致癌物质，其在饮用水中的最高允许浓度被严格限定为 0.002 mg/L。铜（Cu）虽为人体必需微量元素，但过量摄入会导致胃溃疡、肝脑损伤等健康问题，WHO 规定饮用水中铜的最高可接受浓度为 0.05 mg/L，向地表水的允许排放限值为 1 mg/L。然而，纺织、印刷、电镀等行业排放的废水中，镉和铜等重金属常严重超标，传统的化学 coagulation、离子交换等处理技术往往面临成本高、效率低、易产生二次污染等难题，因此开发高效、环保的重金属去除技术迫在眉睫。
在这样的背景下，来自台湾嘉南药理大学等机构的研究人员开展了一项具有重要现实意义的研究，相关成果发表在《BMC Chemistry》上。他们聚焦于一种新型的钴铁氧体 / 活性炭（COF/AC）磁性纳米复合材料，探索其在超声辅助下对水溶液中镉和铜的去除效果，旨在为重金属废水处理提供更优的解决方案。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：
- 材料表征技术：通过扫描电子显微镜（SEM）观察材料的表面形貌和结构特征，利用能量色散 X 射线光谱（EDX）分析材料的元素组成，借助比表面积及孔隙度分析（BET）测定材料的比表面积、孔径和孔容，运用 X 射线衍射（XRD）确定材料的晶体结构，使用振动样品磁强计（VSM）研究材料的磁性性能。
- 响应面法（RSM）：以中央复合设计（CCD）构建实验模型，系统考察复合剂量、pH、重金属浓度和超声辐射时间这四个独立变量对镉和铜去除效率的影响，通过优化确定最佳工艺条件。
- 吸附实验：在实验室规模下，开展不同条件的吸附实验，测定吸附前后溶液中重金属的浓度，计算去除效率，并研究材料的重复使用性能和在实际水样中的处理效果。
材料表征与性能分析
SEM 图像显示，合成的 COF/AC 复合材料具有相对均匀的形貌和表面孔隙结构，表明其具备良好的吸附基础。EDX 分析证实了材料中 Fe、Co、O、C 等元素的存在，与预期的复合材料组成一致。BET 分析表明，该复合材料的比表面积高达 659.4 m2/g，平均孔径为 3.6 nm，孔容为 0.482 cm3/g，这些物理特性为重金属离子的吸附提供了充足的位点和空间。XRD 图谱中出现的特征峰与 CoFe?O?的立方尖晶石相结构吻合，且 25° 左右的峰表明活性炭的存在，证实了复合材料的成功合成。VSM 分析显示，材料的饱和磁化强度为 17 emu/g，具备良好的磁性，便于通过外部磁场实现与溶液的分离。
吸附条件优化与模型验证
通过 RSM 构建的二次多项式模型对镉和铜的去除效率具有良好的拟合度，相关系数 R2 均大于 0.99，调整 R2 大于 0.98，表明模型能够准确预测实验结果。方差分析（ANOVA）显示，复合剂量、pH、重金属浓度和超声辐射时间这四个变量对去除效率的影响均具有统计学显著性（p<0.05）。进一步的响应面分析表明，初始重金属浓度对去除效率的影响显著，浓度越高，去除效率越低，这是由于吸附剂表面的活性位点有限。超声辐射时间的延长有助于提高去除效率，因为增加了吸附剂与重金属离子的接触机会，但超过 20 分钟后，效率提升趋于平缓。pH 的影响与吸附剂的零电荷点（pHpzc=3.8）密切相关，当 pH 高于 3.8 时，吸附剂表面带负电荷，有利于通过静电作用吸附带正电荷的铜离子，在 pH=5 时达到最佳效果。综合优化得到最佳条件为：复合剂量 0.22 g，超声辐射时间 22 分钟，重金属浓度 19 mg/L，pH=5。在此条件下，镉和铜的最大去除效率分别达到 93.46% 和 97.45%。
干扰实验与材料重复使用性
干扰实验表明，溶液中存在的 K?、F?、NO??、Fe2?、Al3?、Pb2?等常见离子，在较高浓度下对 COF/AC 复合材料去除镉和铜的效率无显著影响，说明该材料具有较强的抗干扰能力和选择性。材料重复使用实验显示，在吸附 - 解吸过程中重复使用 4 次后，去除效率未出现明显下降，第 4 次使用时镉和铜的去除率仍分别保持在 89% 和 95% 左右，体现了材料良好的稳定性和重复使用性能。第 5 次使用后效率有所降低，可能是由于洗涤过程中部分活性相流失以及表面沉积物导致的活性位点减少。
实际水样处理效果
在实际水样处理实验中，研究人员选取了饮用水、地表水和废水作为研究对象。结果表明，COF/AC 复合材料对不同水样中的镉和铜均具有良好的去除效果。在饮用水中，镉和铜的去除率分别为 92.81% 和 96.37%；在地表水中，去除率分别为 94.47% 和 96.12%；在废水中，去除率分别为 89.62% 和 91.69%。这表明该材料在复杂的实际环境中仍能保持较高的去除效率，具有较强的环境适应性和实际应用潜力。
研究结论与意义
本研究成功合成了具有高吸附性能和磁性的 COF/AC 纳米复合材料，并通过超声辅助和响应面法优化了其去除镉和铜的工艺条件。研究结果表明，该复合材料在最佳条件下对镉和铜的去除效率显著，且具有良好的重复使用性和抗干扰能力，在实际水样处理中表现出色。与其他吸附材料相比，COF/AC 复合材料具有用量少、处理时间短、效率高等优势，为重金属废水的处理提供了一种高效、环保、经济的新策略。该研究不仅拓展了磁性纳米材料在环境治理领域的应用，也为解决工业重金属污染问题提供了重要的科学依据和技术支持，有望在实际废水处理中发挥重要作用，为守护水环境安全和人类健康贡献力量。
