交联壳聚糖-摩洛哥坚果壳生物复合微珠的优化设计及其对Pb(II)和Cd(II)的高效去除机制研究

为解决工业重金属污染水体治理难题，研究人员开发了新型戊二醛交联壳聚糖-摩洛哥坚果壳(CS/ANS@GA)生物复合微珠。通过Box-Behnken设计优化吸附条件，该材料对Pb(II)和Cd(II)最大吸附容量分别达433 mg·g-1和391 mg·g-1，经3次循环仍保持90%以上效率。研究为重金属污染治理提供了高性能可持续吸附剂方案。

　　

工业废水中的铅(Pb²⁺)和镉(Cd²⁺)污染已成为全球性环境危机，这些重金属通过采矿、电子废弃物和农业活动进入水体后，不仅破坏水生生态系统，更会通过食物链引发人类神经损伤、肾衰竭等严重健康问题。传统处理方法如化学沉淀成本高昂且易产生二次污染，而生物吸附技术因其经济环保特性备受关注。壳聚糖(Chitosan, CS)作为自然界储量第二的多糖，其分子链上的氨基(-NH₂)和羟基(-OH)可有效螯合金属离子，但酸性环境下的溶解性问题限制了应用。摩洛哥特有的阿甘树坚果壳(Argan nutshell, ANS)作为农业废弃物，富含纤维素和木质素，与壳聚糖复合可形成多孔结构并引入额外吸附位点。这项发表在《JCIS Open》的研究创新性地将两者与戊二醛(Glutaraldehyde, GA)交联，开发出兼具高吸附性能和机械稳定性的新型生物复合材料。

研究采用响应面法(Response Surface Methodology, RSM)中的Box-Behnken设计(BBD)优化吸附条件，通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电镜-能谱联用(SEM-EDX)表征材料特性。吸附实验考察了pH、吸附剂剂量和接触时间的交互影响，通过Sips等温线和Avrami动力学模型解析吸附机制，并进行了热力学和循环再生实验。

3.1. 溶胀与溶解性测试

CS/ANS@GA在360分钟达到87.05%的溶胀率，证实其多孔结构和亲水性。交联后的材料在2%乙酸和1M HCl中均保持不溶性，而未交联样品在酸性条件下完全溶解，证明GA交联显著提升了化学稳定性。

3.2. 壳聚糖微珠表征

XRD显示复合材料在22°出现宽峰，结晶度低于纯壳聚糖。FTIR谱图中3280 cm^-1处-OH/-NH伸缩振动峰减弱，1652 cm^-1处酰胺I带位移，证实GA与CS成功交联。吸附Pb²⁺/Cd²⁺后特征峰进一步偏移，表明金属离子与功能基团配位。SEM显示吸附后微珠表面出现颗粒沉积，EDX谱图检测到Pb和Cd的特征峰。

3.5. 吸附条件优化

3D响应曲面表明pH 10、吸附剂量0.4 g·L^-1、接触时间120分钟为最佳条件。材料pH_pzc(零电荷点)为6.5，碱性环境下表面负电荷增强静电吸附。验证实验测得Pb(II)和Cd(II)吸附量分别为126.41 mg·g^-1和122.56 mg·g^-1，与模型预测误差<1%。

3.7. 吸附等温线

Sips模型拟合度最佳(R²>0.99)，最大吸附量达433 mg·g^-1(Pb)和391 mg·g^-1(Cd)，远高于文献报道的藻酸盐凝胶(184 mg·g^-1)和银金属有机框架(193 mg·g^-1)。分离因子R_L均<0.02，证实吸附过程高度自发。

3.8. 吸附动力学

Avrami模型显示吸附包含快速表面结合(n=0.27-0.70)和慢速孔扩散两阶段。Pb²⁺因更大离子半径(119 pm)和更低水合能(-1481 kJ·mol^-1)，吸附量比Cd²⁺高10%。

3.9. 吸附热力学

ΔG°(-6.78至-10.71 kJ·mol^-1)证实过程自发，ΔH°(32.97 kJ·mol^-1)和ΔS°(132.97 J·mol^-1·K^-1)表明升温有利吸附，属吸热熵增过程。

3.10. 重复使用性

0.1M HCl解吸后，材料经4次循环仍保留70%以上容量，SEM显示微珠结构完整，证明其工程应用潜力。

该研究通过多尺度表征和数学模型解析，证实CS/ANS@GA的吸附机制包含：1)pH>6.8时的静电吸引；2)金属离子与-OH/-NH₂的氢键作用；3)氨基/羧基配位形成内层络合物；4)孔隙物理截留。Fatima Zahra Falah等开发的这种材料，不仅实现了农林废弃物的高值化利用，其超过多数商业吸附剂的性能指标，为工业废水处理提供了兼具经济性和可持续性的解决方案。特别是对Pb²⁺的选择性吸附特性，在含多种重金属的复杂废水体系中具有独特优势。未来研究可进一步探索材料在实际废水矩阵中的性能，并评估其全生命周期环境效益。