交联金属类型对海藻酸盐气凝胶微球吸附性能的影响：以碱性红18染料与铜离子同步去除为例

本研究针对纺织废水中共存污染物去除难题，通过离子交联-冷冻干燥法制备Ca2+ 、Co2+ 、Zn2+ 交联的海藻酸盐气凝胶微球，系统考察其对碱性红18染料（BR18）和Cu2+ 的同步吸附性能。结果表明Co-海藻酸盐气凝胶具有最优异特性（比表面积提升2.6倍），在pH 6条件下30分钟内实现BR18（62%）与Cu2+ （97%）的高效去除，其Cu2+ 吸附容量达163 mg/g（二元体系），为复杂组分废水处理提供新型吸附材料设计策略。

　　

纺织工业的快速发展带来了严重的环境污染问题，每年全球约消耗790亿立方米水资源的同时，排放出含有合成染料和重金属的复杂废水。其中，碱性红18（BR18）这类阳离子偶氮染料不仅造成视觉污染，更因其致癌性、持久性和光阻隔效应威胁水生生态系统；而铜离子（Cu²⁺
）虽为人体必需微量元素，过量摄入会导致肝肾损伤和神经系统病变。传统水处理技术对这类复合污染物的同步去除效率有限，亟需开发高效、低成本的新型吸附材料。

针对这一挑战，国内研究人员在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究中，创新性地采用钴（Co²⁺
）、锌（Zn²⁺
）和钙（Ca²⁺
）三种金属离子交联海藻酸盐，通过离子凝胶化结合冷冻干燥技术制备了系列气凝胶微球。研究团队运用扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等表征手段解析材料特性，并通过动力学、等温线和热力学实验系统评估了其对BR18/Cu²⁺
二元体系的吸附性能。

主要技术方法
研究采用2 wt%海藻酸钠溶液与0.6 M金属盐（ZnCl₂
、CoCl₂
、CaCl₂
）进行离子交联，经冷冻干燥获得气凝胶微球。通过SEM观察形貌，EDX和XPS验证元素分布，ATR-FTIR分析官能团，XRD测定结晶度，氮吸附测试比表面积。吸附实验考察pH值、剂量、浓度等参数，采用伪一级动力学和Freundlich等温模型拟合数据。

研究结果
Characteristics of the prepared alginate aerogel beads
SEM显示Zn-海藻酸盐呈现独特的蜂窝状多孔结构（图1b），而Ca-海藻酸盐表面平整。XPS证实金属均匀分布且无杂质，Co-交联样品比表面积达最高（2.6倍于Ca-样品）。结晶度分析表明Zn²⁺
和Co²⁺
交联会降低海藻酸盐结晶性。

Adsorption performance
在pH 6、1 g/L投加量下，Co-海藻酸盐30分钟内对Cu²⁺
去除率达97%，BR18为62%。Langmuir模型显示Cu²⁺
单组分吸附容量为128 mg/g，二元体系反而提升至163 mg/g，表明存在协同效应。动力学符合伪一级模型，说明以物理吸附为主的扩散控制过程。

Competitive adsorption
低浓度时Cu²⁺
优先吸附，增加BR18浓度会减弱竞争。热力学揭示Cu²⁺
吸附为吸热过程（ΔH>0），而BR18吸附放热（ΔH<0），这与金属配位和静电作用机制差异相关。

结论与意义
该研究首次阐明交联金属类型对海藻酸盐气凝胶结构与功能的调控规律：Co²⁺
交联可形成高比表面积（49.8 m²
/g）和特殊孔道结构，其三维网络中的羧基与Cu²⁺
形成"蛋盒"结构，同时通过静电作用捕获BR18。相较于传统Ca-交联材料，Co-海藻酸盐对Cu²⁺
的吸附容量超越多数报道材料，为处理含重金属-染料复合废水提供了可规模化应用的解决方案，符合联合国可持续发展目标（SDGs）中清洁饮水的战略需求。研究提出的"金属配位-表面吸附"协同机制（如图解所示），为设计多功能生物基吸附材料提供了新思路。