绿色与化学法合成零价铁纳米颗粒在重金属吸附中的性能比较及机制研究

本研究针对水体重金属污染治理需求，系统比较了硼氢化钠化学还原法与可可壳提取物绿色合成法制备的零价铁纳米颗粒（nZVI）对Cd(II)、Cr(VI)和As(III)的去除效能。研究发现绿色合成的nZVI经水热碳化（HTC）后形成碳基质包覆结构，在酸性条件下120小时内保持>98%的去除率且无解吸现象，显著优于化学法合成的nZVI。该研究为可持续纳米材料在环境修复中的应用提供了新策略。

　　

随着工业活动加剧，重金属污染已成为全球性环境挑战。镉(Cd)、铬(Cr)和砷(As)等重金属通过食物链富集，可导致先天性缺陷、智力下降甚至癌症。传统水处理技术如化学沉淀法存在处理痕量污染物效率低、成本高等局限。零价铁纳米颗粒(nZVI)因其高比表面积和还原能力被视为理想解决方案，但化学法合成的nZVI易氧化团聚，而绿色合成路径的长期稳定性尚未明确。

为系统比较不同合成方法的优劣，研究人员开展了化学还原法与可可壳提取物绿色合成nZVI的对比研究。通过扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线衍射(XRD)表征发现，化学法合成的nZVI平均粒径为90±40 nm，但酸性条件下24小时后出现明显解吸；而经水热碳化(HTC)处理的绿色合成nZVI形成碳基质包覆结构(含28.08%碳)，在pH 3.2条件下120小时内对三种重金属的去除率均稳定在98%以上。

关键技术包括：(1)采用可可壳水/乙醇提取物(含72.1 mg GAE/g多酚)作为绿色还原剂；(2)通过水热碳化(220°C/452 psi)构建碳包覆结构；(3)利用ICP-OES分析重金属吸附动力学；(4)结合SEM-EDS和AFM进行纳米尺度形貌表征。

【3.1 化学还原法合成nZVI】
硼氢化钠还原法制备的nZVI初始去除率达99%，但酸性条件下出现Cd(43%)和As(37%)解吸。XRD显示其含典型Fe(0)晶相(44.9°和65°衍射峰)，但缺乏保护性碳层。

【3.2 绿色合成与HTC处理】
可可壳多酚不仅还原Fe³⁺
，还在HTC过程中形成碳基质。处理后nZVI的碳含量提升至28.08%，AFM显示表面粗糙度降低，DLS检测粒径分布更集中(80±30 nm)。

【3.3 XRD分析】
HTC合成的nZVI除Fe(0)特征峰外，还出现Fe₃
O₄
(35.8°)和Fe₃
C(37.6°)峰，证实碳铁复合结构的形成。

【3.5 重金属去除】
绿色合成nZVI在pH 3.2时Cr去除率持续99%，归因于Fe-Cr氧化物形成；而化学法nZVI需调节至pH 8.0才能避免解吸，证实碳包覆对稳定性的关键作用。

该研究创新性地将农业废弃物转化为高效环境修复材料，揭示了多酚含量与纳米颗粒性能的量化关系。绿色合成nZVI的碳基质不仅解决传统nZVI的氧化难题，其磁性特征还便于回收利用。研究为重金属污染治理提供了兼具可持续性与工程可行性的解决方案，对实现联合国可持续发展目标(SDG 6和12)具有重要实践意义。未来需进一步优化HTC工艺参数并开展中试验证，以推动该技术向工程化应用迈进。