钴掺杂聚多巴胺纳米复合材料高效去除水中Pb(II)和Cd(II)：合成、表征及吸附机制研究

针对饮用水中Pb(II)和Cd(II)重金属污染问题，研究人员开发了一种钴掺杂聚多巴胺（Co/PDA）纳米复合材料。通过共沉淀法合成并表征，该材料在优化条件下对Pb(II)和Cd(II)的去除率分别达91.8%和89.9%。研究揭示了Langmuir等温模型和伪二级动力学主导的吸附机制，为低成本高效水处理技术提供了新思路。

　　

论文解读

背景与意义
重金属污染是威胁全球饮用水安全的严峻问题，尤其是铅（Pb(II)）和镉（Cd(II)）因其毒性、生物累积性和持久性，可导致神经损伤、肾衰竭甚至癌症。传统处理方法如化学沉淀和离子交换存在成本高、污泥产量大等缺陷。吸附法因其可调控性和经济性成为研究热点，但普通聚多巴胺（PDA）材料对Pb(II)/Cd(II)的选择性和容量有限。为此，Dilla大学的研究团队通过钴（Co）掺杂PDA，设计了一种新型纳米复合材料（Co/PDA），显著提升了吸附性能，相关成果发表于《Desalination and Water Treatment》。

关键技术方法
研究采用共沉淀法合成Co/PDA，通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电镜（SEM）表征材料结构；利用pH_PZC（零电荷点）分析表面电荷特性；通过批量吸附实验优化参数（pH、剂量、接触时间等），结合Langmuir和Freundlich等温模型及伪二级动力学模型解析吸附机制。

研究结果

1. 材料表征

• pH_PZC分析：Co/PDA的零电荷点为5.58，表明在pH>5.58时表面带负电，利于阳离子吸附。
• XRD与FTIR：XRD显示材料结晶尺寸为5.37 nm，FTIR证实Co-O键（553.5 cm^-1）和C-N基团（961.59 cm^-1）的存在，为金属离子提供结合位点。
• SEM：材料呈现多孔不规则结构，高比表面积增强吸附能力。

2. 吸附性能优化

• 剂量与pH：最佳吸附剂量为1.25 mg/L，pH 8时Pb(II)去除率达91.5%，pH 7时Cd(II)为87.6%。
• 动力学：伪二级模型（R²>0.99）表明化学吸附主导，Pb(II)和Cd(II)的速率常数分别为24.272和30.303 g/mg·min。
• 等温模型：Langmuir模型（R²=0.9999）证实单层吸附，最大吸附容量为1.46 mg/g（Cd(II)）。

结论与意义
Co/PDA通过Co的氧化还原活性与PDA的螯合基团协同作用，显著提升对Pb(II)/Cd(II)的吸附效率。其低成本、高效益的特性为实际水处理应用提供了潜力。未来需进一步研究温度影响、材料再生及实际废水处理效能。该研究为开发多功能环境修复材料开辟了新途径。