磁性生物炭-海藻酸钠铁(II)水凝胶复合微球对Cr(VI)的协同还原固定化机制研究

针对磁性生物炭(MBC)易聚集、Cr(VI)去除效率低的问题，研究人员创新性地将Fe(II)-海藻酸钠(SA)水凝胶与MBC复合制备SA-Fe-C微球。该材料通过三维网络结构抑制MBC聚集，实现30.03 mg/g的Cr(VI)去除容量，并揭示其通过吸附-还原-共沉淀（生成FeCr2O4）三重机制协同作用，为重金属污染治理提供新策略。

　　

随着工业快速发展，皮革加工、电镀等行业排放的六价铬(Cr(VI))污染问题日益严峻。这种毒性远超三价铬(Cr(III))的污染物，能穿透细胞膜损伤肝肾，对人类健康构成严重威胁。尽管传统方法如吸附、化学还原等被用于Cr(VI)去除，但普遍存在固定化效率低、化学药剂消耗大等问题。更棘手的是，具有高比表面积的磁性生物炭(MBC)在实际应用中易发生聚集，导致孔隙堵塞、活性位点丧失。如何破解这一瓶颈，成为环境治理领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，同济大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新成果。他们巧妙利用海藻酸钠(SA)多糖分子中的羟基(-OH)和羧基(-COOH)特性，以Fe(II)为交联剂构建三维网络水凝胶，并将MBC嵌入其中形成SA-Fe-C复合微球。这种设计既保留了MBC的高效吸附特性，又通过水凝胶空间位阻效应抑制颗粒聚集，更创新性地引入Fe(II)实现Cr(VI)的还原固定化三重协同机制。

研究团队通过SEM、XPS等技术表征材料结构，结合批量吸附实验和毒性浸出测试评估性能。结果显示，SA-Fe-C微球在pH=4时Cr(VI)最大去除容量达30.03 mg/g，符合准二级动力学模型和化学吸附主导机制。微观分析揭示其作用机理包含三个关键步骤：(1)三维网络吸附富集Cr(VI)；(2)Fe(II)和酚羟基将毒性Cr(VI)还原为Cr(III)；(3)Cr(III)与Fe(II)形成稳定的FeCr₂O₄共沉淀。相较于传统MBC，该材料铬浸出量降低82%，且经过5次循环仍保持90%以上活性。

SEM分析显示，随着SA浓度增加，微球孔径扩大，这有利于污染物扩散和活性位点暴露。XPS谱图证实材料表面存在Fe(II)/Fe(III)氧化还原对和Cr(III)特征峰，直接验证还原机制。毒性浸出实验表明，处理后铬浸出浓度远低于国家标准限值，证实其卓越的固定化能力。

该研究的创新价值在于：首次将Fe(II)交联SA水凝胶与MBC复合，突破传统吸附材料的单一功能局限；提出的"吸附-还原-矿化"三级处理机制为重金属治理提供新思路；材料可磁性回收且稳定性强，具有工程化应用潜力。Bin Dong、Zuxin Xu等作者强调，这种绿色设计策略可拓展至其他重金属污染治理，为发展可持续环境修复技术奠定理论基础。

研究获得国家自然科学基金(U2340214等)支持，其成果不仅解决MBC实际应用瓶颈，更推动水凝胶复合材料在环境领域的创新应用。未来通过调控交联密度和MBC负载量，有望进一步提升材料机械强度和污染物通量，为工业废水处理提供更优解决方案。