功能化黄铁矿复合材料对重金属离子吸附的动力学与统计物理建模：实验与机理研究

为解决水体中Cu2+、Cd2+等重金属污染问题，研究人员通过合成硅包覆黄铁矿复合材料（FeS2@SiO2），系统研究了其吸附性能。结合Langmuir模型（R2>0.999）和伪二级动力学（PSO），证实其以化学吸附为主，最大吸附量达145.71 mg/g（Cd2+）。统计物理模型进一步揭示活性位点数量及吸附能（E<20 kJ/mol），为水处理技术提供理论支撑。

　　

随着工业废水排放加剧，Cu²⁺、Cd²⁺等重金属离子对水生态和人体健康的威胁日益严峻。这些离子具有高毒性和生物累积性，美国环保署（EPA）规定的最大污染水平（MCL）低至0.005 mg/L（Cd²⁺）。传统处理方法如化学沉淀法易产生污泥，而离子交换和膜过滤成本高昂。吸附法因其高效、低成本成为研究热点，但开发兼具高容量和可再生性的吸附材料仍是挑战。

伊朗东阿塞拜疆省Varzaqan县Sungun铜矿的研究团队以天然黄铁矿为原料，通过盐酸活化和硅包覆改性，制备了功能化黄铁矿复合材料（FeS₂@SiO₂）。该材料在pH 8条件下对Cd²⁺的吸附量达145.71 mg/g，远超沸石（4.73 mg/g）和生物炭（52.92 mg/g）。研究创新性地结合统计物理模型，量化了吸附位点密度（N_m）和吸附能（E=6-14 kJ/mol），发现其以物理吸附为主，但Cu²⁺和Ni²⁺存在化学吸附贡献。相关成果发表于《Results in Chemistry》，为重金属治理提供了新材料和理论工具。

研究采用批式吸附实验，通过调节pH（2-10）、浓度（100-500 mg/L）和温度（298-343 K）优化条件；利用BET和BJH分析比表面积（0.64 m²/g）；结合Langmuir、Freundlich等模型拟合等温线；通过伪二级动力学（PSO）和Elovich方程解析吸附机制；基于Van't Hoff方程计算热力学参数；最后采用单层统计物理模型量化分子相互作用。

3.1 BET和BJH分析
氮气吸附-脱附曲线显示材料呈III型等温线，孔径分布集中在1.21 nm，表明其介孔特性。

3.2 溶液酸度影响
零电荷点（ZPC=8.1）决定吸附行为：pH>8.1时表面负电荷增强静电吸引，Cd²⁺去除率显著提升。

3.3 平衡研究
Langmuir模型最佳拟合（R²>0.999），证实单层吸附；Redlich-Peterson模型显示部分多层吸附特征。

3.4 动力学建模
伪二级动力学（PSO）速率常数k_a平均值为1.560-2.568 mol/L·min，几何法计算的表面覆盖度θ与实验值偏差<10%。

3.5 吸附热力学
ΔH°（12-36 kJ/mol）和ΔS°正值证实吸热、熵驱动过程，ΔG°随温度升高而降低，70°C时吸附量最大。

3.6 统计物理建模
单层模型优于双层模型（R²>0.999），Cu²⁺的n值0.95表明单离子多锚定吸附，Ni²⁺的E=14.47 kJ/mol接近化学吸附阈值。

3.7 吸附机制
硅羟基（Si-OH）与黄铁矿硫协同作用：pH>8.1时静电吸引主导，同时存在Cu²⁺-S配位键。

3.8 对比与再生性
经4次循环后吸附容量保持80%，优于膨润土（下降40%），但略低于碳纳米管（CNTs）。

该研究证实功能化黄铁矿复合材料可通过物理-化学协同作用高效去除重金属，其硅包覆结构增强稳定性，硫基团提升对Cd²⁺的选择性。统计物理模型为吸附位点设计提供了量化工具，而中等再生性能（80%）平衡了成本与效率。未来需在真实废水体系中验证其抗干扰能力，并开发更绿色的再生工艺。