镍铁氧体-氧化石墨烯-壳聚糖复合吸附剂超快高效回收镉的原子尺度机制研究

《Science of The Total Environment》：Ultra fast and highly efficient recovery of cadmium with graphene oxide-chitosan grafted by nickel ferrite as a recyclable adsorbent and atomic scale mechanism

针对工业废水中重金属Cd(II)污染治理难题，内蒙古科技大学团队设计出镍铁氧体(NiFe2O4)-氧化石墨烯(GO)-壳聚糖(CS)复合吸附剂。该材料在14分钟内实现99.07%的Cd(II)去除率（吸附量396.29 mg·g?1），并通过HSAB理论、XPS等多维度揭示C=O/NH2等基团的协同作用机制，为重金属资源化回收提供新型磁性生物吸附剂设计范式。

　　

【研究背景】
在电池制造、电镀等行业蓬勃发展的今天，镉(Cd)作为"五毒重金属"之一，正通过工业废水悄然侵入生态环境。这种具有强生物蓄积性的污染物，即使微量暴露也会引发肾损伤和骨病变。传统化学沉淀法虽能处理高浓度镉废水，却对低浓度镉束手无策，且产生大量污泥。吸附技术因其操作简便、成本低廉被视为理想替代方案，但现有吸附剂普遍存在吸附速率慢、再生困难等瓶颈。

【研究突破】
内蒙古科技大学团队在《Science of The Total Environment》发表的研究中，创新性地将磁性镍铁氧体(NiFe₂O₄)纳米颗粒锚定在氧化石墨烯(GO)-壳聚糖(CS)骨架上，构建出三明治结构的NiFe₂O₄-GO-CS复合吸附剂。该材料不仅突破传统生物吸附剂的性能极限，更通过多尺度表征技术首次阐明Cd(II)的原子级捕获机制。

【关键技术】
研究采用改进Hummers法制备GO，通过共沉淀-水热法构建复合材料。利用XRD、FTIR、XPS等技术表征材料结构，结合Langmuir模型和HSAB理论计算分析吸附行为，通过振动样品磁强计(VSM)验证磁性回收性能。

【研究结果】

1. 材料制备与表征
   XRD显示NiFe₂O₄特征峰(2θ=35.66°对应311晶面)与GO(10.64°)、CS(19.85°)共存，FTIR证实-C=O(1635 cm^?1)和-NH₂(1590 cm^?1)成功保留。VSM测试显示饱和磁化强度达45.6 emu·g^?1，确保磁性分离。

2. 超快吸附性能
   在pH=6、25℃条件下，14分钟即达吸附平衡，最大吸附量396.29 mg·g^?1远超同类材料（对比文献值：NiFe₂O₄-G 74.62 mg·g^?1）。

3. 循环稳定性
   5次循环后吸附量保持346.89 mg·g^?1（保留率86.72%），磁分离过程未破坏材料结构。

4. 原子尺度机制
   XPS分析揭示Cd(II)与C=O(O 1s结合能531.2 eV)、-NH₂(N 1s 399.8 eV)形成配位键，HSAB理论计算证实Cd²⁺(软酸)优先与N/O(软碱)结合。

【结论与意义】
该研究通过"磁性核-碳基载体-生物聚合物"三位一体设计，实现吸附速率(动力学常数k₂=0.017 g·mg^?1·min^?1)与容量双重突破。从原子尺度揭示的-NH₂/C=O协同配位机制，为定向设计重金属吸附剂提供理论依据。相较于传统活性炭吸附剂，该材料兼具环境友好(生物降解性)与工程应用优势(磁性回收)，在电子废弃物资源化领域展现巨大潜力。Chaoke Bulin和Ting Guo团队的工作，为发展"吸附-磁回收-再生"闭环水处理技术树立了新标杆。