NiFeAl-LDH@聚苯乙烯纳米复合材料高效去除单一与二元体系中Cd(II)和Pb(II)：优化、动力学及等温线研究

本研究针对水体中Cd2+和Pb2+污染问题，通过回收发泡聚苯乙烯废弃物构建核壳结构纳米复合材料NiFeAl-LDH@PS，系统探究其在单一及二元体系中对重金属的吸附性能。结果表明，该材料对Cd2+和Pb2+的最大吸附容量分别达57.47 mg/g和177.31 mg/g，且在六次再生后仍保持显著吸附能力，为重金属污染治理提供了低成本、高效的新策略。

　　

随着工业活动迅猛发展，重金属污染已成为全球性环境问题，尤其是镉（Cd²⁺）和铅（Pb²⁺）等离子体通过水体进入生态系统后，可通过食物链在人体内累积，引发肾功能障碍、高血压乃至癌症等严重健康问题。世界卫生组织（WHO）明确规定饮用水中Cd²⁺和Pb²⁺的限值分别为0.003 mg/L和0.01 mg/L，然而现有处理技术如化学沉淀、离子交换等存在成本高、效率低或二次污染等问题。吸附法因操作灵活、成本低廉而备受关注，但开发高效、可再生且环境友好的吸附剂仍是当前研究难点。

在这一背景下，巴格达大学环境工程系的Shahad A. Raheem和Ahmed A. Mohammed教授团队创新性地利用废弃发泡聚苯乙烯（Styrofoam）为原料，设计并合成了一种核壳型纳米复合材料NiFeAl-LDH@Polystyrene（NiFeAl-LDH@PS），系统研究了其在单一和二元体系中吸附Cd²⁺和Pb²⁺的性能及机制。该研究发表于《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》，为重金属污染治理提供了新材料和理论依据。

研究团队通过共沉淀法合成镍铁铝层状双氢氧化物（NiFeAl-LDH），并利用热解还原反应从废弃发泡聚苯乙烯中回收苯乙烯单体，再通过乳液聚合法制备聚苯乙烯（PS）纳米球，最终采用溶液复合工艺成功构建了以LDH为核、PS为壳的纳米复合材料。通过响应面法（RSM）优化了吸附条件，并借助TEM、SEM、XRD、FTIR和BET等技术对材料进行了系统表征。吸附实验涵盖单一与二元体系，结合等温线模型（Langmuir、Freundlich及竞争Langmuir模型）和动力学模型（PFO、PSO及其修正模型）深入分析了吸附行为和机制。

3.1. 吸附剂合成与优化

通过对比不同Ni/(Al+Fe)摩尔比（0.5:1至3:1）和PS:LDH比例（2:1至4:1），确定最佳合成条件为Ni/(Al+Fe)=1:1和PS:LDH=2:1，此时Cd²⁺和Pb²⁺的去除率分别达73.79%和92.24%。

3.2. 材料表征结果

SEM和TEM显示NiFeAl-LDH呈六边形片层结构，PS纳米球均匀包覆其表面，形成明显的核壳结构。BET测试表明NiFeAl-LDH@PS比表面积达92.049 m²/g，平均孔径为28.63 nm，显著高于单一组分材料。XRD和FTIR证实PS成功负载于LDH表面，且吸附后材料结构稳定。EDS图谱显示吸附后材料表面存在明显的Cd和Pb元素分布，证实重金属被有效吸附。

3.3. RSM优化吸附过程

通过44组实验数据构建的RSM模型拟合优度（R²）分别为0.9956（Cd²⁺）和0.9521（Pb²⁺），表明模型预测与实验值高度吻合。ANOVA分析表明pH、吸附剂剂量、振荡速度、初始浓度和接触时间均对吸附有显著影响（p<0.05）。 Pareto图显示时间对Cd²⁺吸附影响最大，pH对Pb²⁺吸附影响最显著。最优条件为：Cd²⁺体系（pH=6, 剂量=0.25 g/100 ml, 速度=150 rpm, 时间=90 min），Pb²⁺体系（pH=5, 剂量=0.2 g/100 ml, 速度=150 rpm, 时间=90 min）。

3.4. 单一与二元吸附性能

在单一体系中，Cd²⁺和Pb²⁺的去除率分别为94.42%和99.65%；而在二元体系中，因竞争吸附导致去除率下降至69.73%（Cd²⁺）和82.01%（Pb²⁺）。竞争因子α_Cd=0.097，α_Pb=0.215，表明Pb²⁺对Cd²⁺吸附的抑制更强，这与Pb²⁺较低的水合半径（4.01 ?）和pK_H（7.71）相关，更易通过内表面络合反应被吸附。

3.5. 等温线与动力学模型

Langmuir模型能更好描述吸附过程，Cd²⁺和Pb²⁺的最大吸附容量分别为57.47 mg/g和177.31 mg/g，分离因子R_L均小于1，表明吸附为有利过程。竞争Langmuir模型对二元体系的拟合优度（R²>0.93）证实吸附位点竞争机制。动力学分析表明PSO模型更适用于单一体系（R²>0.98），修正PSO模型适用于二元体系，说明化学吸附为主控步骤。

3.6. 吸附机制探讨

静电作用、氧-containing基团络合及离子交换是主要吸附机制。当pH>pH_PZC（4.35）时，材料表面带负电，通过静电作用吸引重金属离子；FTIR中–OH和–COOH峰的变化证实络合反应发生。二元体系中，因金属特性差异（水合半径、水解常数）导致竞争吸附，Pb²⁺更易被优先吸附。

3.7. 再生与复用性能

采用0.5 M HNO₃解吸后，材料经6次循环再生仍保持38.56%（Cd²⁺）和42.37%（Pb²⁺）的去除率，表明NiFeAl-LDH@PS具有良好的可再生性和实际应用潜力。

该研究成功开发了一种以废弃聚苯乙烯为基础的高效吸附剂，实现了重金属污染治理与废物资源化的双赢目标。材料在二元体系中的竞争吸附机制及再生能力为实际废水处理提供了重要参考。未来研究可进一步探索材料在实际工业废水中的性能及长期稳定性。