基于κ-卡拉胶/活性炭/聚乙烯亚胺水凝胶的渗滤液处理与金属资源回收：性能优化与机制研究

为解决工业废水重金属污染问题，悉尼科技大学团队开发了κ-卡拉胶/活性炭/聚乙烯亚胺(kC-AC/PEI)复合水凝胶膜。研究通过调控kC浓度(1-3%)优化了水凝胶结构，在pH 4、35℃条件下实现Mg2+/Ca2+ 87.1%/82.9%截留率，TOC去除率达97.8%。创新性结合反渗透(RO)系统实现70%金属回收，为小型污水处理厂提供可持续解决方案。

　　

随着工业快速发展，含有铜、铅、铬等重金属的废水排放对环境和人类健康构成严峻威胁。传统膜技术如反渗透(RO)虽能有效分离重金属，但存在能耗高、膜污染等问题；而吸附法虽经济却效率有限。如何开发兼具高效、低成本且可回收重金属的技术，成为环境工程领域的重大挑战。

悉尼科技大学(University of Technology Sydney)的研究团队将目光投向天然多糖κ-卡拉胶(kappa-Carrageenan, kC)，这种源自红藻的硫酸酯化多糖具有独特的3D网络结构和丰富官能团。研究人员创新性地将kC与活性炭(AC)、聚乙烯亚胺(PEI)复合，制备出具有95.61 m²/g比表面积的kC-AC/PEI水凝胶膜，通过死端过滤柱实现"吸附-脱附-RO回收"的全流程处理。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析官能团变化，场发射扫描电镜(FE-SEM)观察微观结构，BET法测定比表面积。通过调控kC浓度(1-3%)、厚度(0.5-2.5 cm)等参数，系统评估水凝胶溶胀度、通量和截留性能。以悉尼Hurstville高尔夫中心经生物处理后的垃圾渗滤液为对象，结合电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析重金属去除率，最后通过0.1M HCl脱附和RO系统实现金属回收。

结构表征显示：

3%kC-AC/PEI水凝胶孔径达4.6 nm，接触角56.8°±2.7，呈现典型剪切稀化特性。FT-IR证实PEI的-NH₂与kC的-OSO₃^-形成氢键，EDX显示过滤后Mg²⁺、Pb²⁺等重金属在凝胶表面富集。

性能测试表明：

最佳2 cm厚度凝胶对Ca²⁺/Mg²⁺截留率达87.1%/82.9%，显著高于Na⁺(46.9%)。pH 4时Mg²⁺吸附容量达1.9 mg/g，符合Langmuir模型。三周期循环后Mg²⁺截留仅降低5.1%，通量保持28.2 LMH。

机制分析揭示：

二价离子因水合半径小(如Ca²⁺ 0.099 nm)、电荷密度高，与-OSO₃^-静电作用强；而PEI的胺基通过配位键捕获Cu²⁺等过渡金属。RO系统最终回收70%金属，浓缩液TDS达2497 mg/L。

该研究突破传统吸附剂再生难题，首次实现kC水凝胶膜与RO的联用。相比同类研究，其Mg²⁺截留率提高10-15%，且通过热可逆特性降低能耗。为小型污水处理厂提供"污染物去除-资源回收"双功能解决方案，入选《Desalination》期刊。未来可通过引入石墨烯氧化物(GO)进一步提升机械强度，推动该技术产业化应用。