浮游性粘土-海藻酸盐微珠在水处理中的应用：铅离子(Pb2+)与孔雀石绿(MG)去除的实验与分子模拟研究

本研究通过离子凝胶法将天然粘土与海藻酸盐复合，并负载铁镍双金属纳米颗粒(Fe-Ni NPs)，开发出新型浮游性吸附剂F-(clay/alg@Fe-Ni)。该材料对Pb2+和孔雀石绿(MG)展现出卓越吸附性能（最大吸附量分别达189.08 mg/g和365.31 mg/g），结合XRD、FTIR、SEM等表征手段与DFT/Monte Carlo模拟，揭示了物理吸附主导的协同作用机制，为解决水处理中固液分离难题提供了创新方案。

　　

亮点

本研究创新性地将天然粘土与海藻酸盐通过Ca²⁺离子交联，并嵌入铁镍纳米颗粒(Fe-Ni NPs)，构建出具有浮游特性的多功能吸附剂F-(clay/alg@Fe-Ni)。该材料通过增强表面官能团（如-OH和-COO^?）和吸附位点，显著提升了Pb²⁺和孔雀石绿(MG)的捕获能力。

材料与方法

所用粘土采自摩洛哥梅克内斯矿区，经X射线荧光分析显示其主要成分为SiO₂(37.13%)和Al₂O₃(14.28%)。通过化学还原法将Fe-Ni NPs负载至粘土-海藻酸盐凝胶基质，形成具有多孔结构的浮游微珠。

表征结果

XRD显示改性后粘土层间距扩大至14.1 ?（原为9.91 ?），FTIR证实了-COO^?等新官能团的形成。SEM图像显示Fe-Ni NPs均匀分布在三维网络结构中，pH_ZPC分析表明材料表面带负电特性有利于阳离子污染物吸附。

吸附机制

动力学数据符合伪二级模型，等温线拟合显示Langmuir单层吸附占主导。理论计算表明：MG阳离子通过静电作用强力吸附，而Pb²⁺主要与-COO^{?发生配位。Hirshfeld表面分析进一步验证了氢键和π-π堆积的协同作用。}

分子模拟发现

DFT计算揭示MG在改性粘土(100)晶面的吸附能显著提高，电子定位函数(ELF)显示电荷转移主要发生在Fe-Ni NPs界面区域。Monte Carlo模拟证实Alg@Fe-Ni修饰使材料结合能提升47%，完美解释了实验观测的高吸附容量。

结论

这种"粘土-生物聚合物-纳米颗粒"三元协同设计不仅解决了传统吸附剂固液分离难题，其分子层面的机制解析更为环境功能材料开发提供了新范式。