微流控技术与水凝胶-纳米磁铁矿复合体协同调控锑的氧化还原与吸附机制研究

推荐：针对全球关注的新兴污染物锑(Sb)的水处理难题，研究人员创新性地采用微流控技术与水凝胶-纳米磁铁矿(PEGDA/CS-Fe3 O4 )复合体系，揭示了Sb(V)在流动条件下通过还原为Sb(III)或静电吸附的双重固定路径，为开发高效水处理技术提供了新思路。

　　

锑(Sb)作为一种具有氧化还原敏感性的类金属元素，因其毒性和在自然与人为影响水域中的广泛存在，被美国环保署(USEPA)和欧盟列为优先污染物。饮用水中的锑浓度受到严格限制（WHO标准为20 μg/L），但其在工业制动片、阻燃剂等产品中的广泛应用导致环境排放量持续增加。更棘手的是，锑的毒性与其价态密切相关：三价Sb(III)比五价Sb(V)毒性更强但溶解度更低，而Sb(V)在自然水体中更稳定但难以去除。现有水处理技术对低浓度锑的去除效率不足，且缺乏对锑迁移转化机制的微观理解。

针对这一挑战，欧洲研究团队在《Environmental Nanotechnology, Monitoring 》发表研究，创新性地将微流控技术与水凝胶-纳米磁铁矿复合体相结合，首次实现了流动条件下锑滞留过程的原位观测。研究通过同步辐射X射线光谱技术，揭示了锑的价态转化与空间分布规律，为开发高效水处理技术提供了理论依据。

关键技术方法包括：1) 无氧条件下合成15 nm纳米磁铁矿并通过PEGDA水凝胶固定；2) 构建微流控芯片模拟动态水流环境；3) 采用μ-XRF/μ-XANES同步辐射技术解析锑的价态与分布；4) 离子色谱监测Sb(OH)₆
^-
和Cl^-
的穿透曲线。

【3.1 流出液与穿透曲线】
通过离子色谱分析发现，锑在系统中的滞留时间约200分钟，6小时后达到最大去除效率。但后期出现锑解吸现象，表明材料吸附位点存在饱和极限。氯化物作为示踪剂显示，系统孔隙度会影响离子初始吸附-解吸平衡。

【3.2 锑在聚集体内的分布】
μ-XRF图谱显示：低浓度(2 mM)Sb(V)在无壳聚糖(CS)体系中均匀扩散；而高浓度(4-15 mM)或CS存在时，锑主要富集在聚集体边缘。CS涂层使锑吸附量提升20-50倍，这归因于CS在pH 5.5时带正电的NH₃
⁺
基团与Sb(OH)₆
^-
的静电作用。

【3.3 吸附锑的氧化态】
在无CS体系中，低浓度Sb(V)(3-6 mM)被还原为Sb(III)，形成稳定的Fe-O-Sb(III)内层配合物；而高浓度(15 mM)或CS存在时，Sb(V)主要通过外层吸附固定。CS通过隔离锑与磁铁矿表面电子传递，抑制了还原反应。pH 5.5的环境更利于Sb(V)吸附，因磁铁矿表面带正电(pH_PZC
=6.5)。

【3.4 与其他吸附剂对比】
该复合体表面吸附密度达8 atoms Sb/nm²
，优于零价铁(ZVI)和α-FeOOH等材料。其独特优势在于：1) 磁分离特性；2) 水凝胶防止纳米颗粒聚集；3) 同步实现吸附与价态调控。

这项研究首次在微流控平台上揭示了锑的浓度依赖性固定机制：低浓度时以还原为主导，高浓度时以吸附为主。壳聚糖的引入虽抑制还原但大幅提升吸附容量，这种"双模式"机制为设计智能水处理材料提供了新范式。通过将纳米磁铁矿的氧化还原活性与水凝胶的结构稳定性相结合，该技术不仅适用于锑污染治理，还可拓展至砷(As)、铬(Cr)等氧化还原敏感污染物的去除，对矿区废水、工业排放等实际场景具有重要应用前景。同步辐射技术与微流控平台的创新结合，为环境界面过程研究提供了高时空分辨的研究方法学突破。