利用淀粉生物质对电镀废水中的六价铬（Cr(VI)）进行光化学还原和选择性回收

《Journal of Water Process Engineering》：Photochemical reduction and selective recovery of Cr(VI) from electroplating wastewater by starch biomass

高效光催化箭根淀粉处理电镀废水研究，利用可见光驱动箭根淀粉选择性去除Cr(VI)，pH3时去除率98.3%，吸附容量270 mg/g，有效抑制Cr(VI)向Cr(III)转化，无二次污染，适用于工业废水处理。

　　本研究聚焦于六价铬（Cr(VI)）这一种对环境具有高度危害性的重金属污染物，提出了一种基于天然淀粉材料的低成本、高效且环保的处理方法。六价铬因其较强的移动性和毒性，成为工业废水处理中的重点治理对象。特别是在电镀工业中，六价铬的排放量往往较高，对生态环境和人类健康构成严重威胁。为了应对这一问题，研究团队探索了利用马兰薯淀粉（*Maranta arundinacea*）进行六价铬选择性吸附与回收的可行性。该方法通过可见光驱动的光化学过程，实现了对六价铬的有效去除，同时避免了其转化为毒性较低的三价铬（Cr(III)）的过程，从而提升了整体的环境安全性。

六价铬的环境危害主要体现在其高度的水溶性和生物可利用性。它能够轻易通过呼吸系统、消化系统以及皮肤接触进入人体，引发多种健康问题，包括但不限于呼吸道刺激、皮肤灼伤以及潜在的致癌效应。因此，世界卫生组织（WHO）对饮用水中六价铬的最高允许浓度设定了严格的限值，为0.96 μmol/L，而美国环境保护署（EPA）则规定了工业废水中六价铬的排放上限为10 μg/L。这些标准凸显了六价铬污染治理的重要性，也促使科研人员不断寻求更加高效、经济且环保的处理技术。

传统的六价铬去除方法通常依赖于化学沉淀、离子交换、电化学还原等技术，但这些方法往往伴随着较高的处理成本、复杂的操作流程以及可能产生二次污染的风险。例如，化学沉淀法需要使用大量的化学品，如硫化钠或氢氧化钠，不仅增加了处理费用，还可能引入新的污染物。相比之下，基于天然生物质的吸附技术因其原料来源广泛、成本低廉、处理过程相对简单而受到越来越多的关注。淀粉作为一类常见的天然高分子材料，因其具有丰富的羟基（-OH）和醚基（-C-O-C-）等官能团，能够与金属离子形成稳定的络合物，从而展现出良好的吸附性能。

本研究中使用的马兰薯淀粉是一种未经过任何化学修饰的天然材料，其优势在于能够直接应用于废水处理，无需额外的预处理步骤。这种特性不仅降低了处理成本，也减少了对环境的二次影响。通过可见光驱动的光化学过程，马兰薯淀粉能够在温和的反应条件下有效吸附六价铬。研究结果表明，在pH值为3.0的环境中，该方法的六价铬去除率达到了98.3%，而在pH值为10.0的碱性条件下，去除效率显著下降至3.2%。这一现象可能与淀粉表面官能团在不同pH值下的电荷状态变化有关，酸性条件有助于增强淀粉对六价铬的吸附能力。

此外，研究还评估了该方法在不同六价铬浓度下的吸附效果。在10–50 mg/L的浓度范围内，马兰薯淀粉的吸附效率始终保持在90%以上，显示出其在实际应用中的广泛适用性。这表明，该材料在处理不同浓度的六价铬废水时均具有良好的性能，适用于工业废水处理场景。值得注意的是，当淀粉的用量从50 mg增加到450 mg时，六价铬的去除效率提升了约55%，接近95%。这说明增加吸附剂的用量能够有效提高处理能力，同时缩短处理时间。在实验中，随着淀粉用量的增加，六价铬的去除速率在300分钟内显著加快，进一步验证了该方法在处理效率上的优势。

除了吸附效率，该方法还具备显著的环境友好性。传统的重金属处理技术常常会产生大量固体废弃物，而本研究中的马兰薯淀粉吸附法不仅实现了六价铬的有效去除，还避免了二次污染的产生。吸附后的材料能够直接用于铬的回收，为资源再利用提供了可能。这一特性使得该方法在工业废水处理中具有更高的可持续性，符合当前绿色化学和循环经济的发展趋势。

在实验过程中，研究团队还对吸附过程的机理进行了深入分析。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，验证了马兰薯淀粉在吸附六价铬过程中所发生的结构变化。这些分析结果表明，六价铬能够与淀粉中的羟基和醚基等官能团发生反应，形成稳定的络合物，从而实现其选择性吸附和回收。这一双机制作用不仅提高了吸附效率，还增强了材料的稳定性和重复使用性。

本研究还探讨了在竞争离子存在的情况下，马兰薯淀粉对六价铬的吸附能力。实验结果显示，即使在含有钙（Ca2?）、铜（Cu2?）、锌（Zn2?）和镍（Ni2?）等常见竞争离子的溶液中，马兰薯淀粉依然能够保持较高的六价铬去除效率。这表明，该材料具有良好的选择性，能够在复杂水质条件下有效分离六价铬，这对实际工业废水处理具有重要意义。

从经济角度来看，马兰薯淀粉作为一种天然材料，其来源广泛且成本低廉，为大规模工业应用提供了可行性。相比于需要昂贵化学试剂或复杂工艺的其他吸附材料，马兰薯淀粉在处理六价铬废水时展现出更高的性价比。同时，该方法的操作条件相对温和，无需高温、高压或强酸强碱环境，进一步降低了能源消耗和设备成本。

综上所述，本研究提出了一种基于马兰薯淀粉的可见光驱动光化学吸附方法，用于六价铬的高效去除与选择性回收。该方法不仅在去除效率上表现出色，还具有显著的环境友好性和经济性。通过优化pH值、淀粉用量等参数，可以进一步提升其在实际废水处理中的应用效果。未来的研究可以进一步探索该方法在不同工业废水中的适用性，以及如何通过改进材料结构或表面化学特性来提升其吸附能力。此外，该方法在铬回收和资源再利用方面的潜力也值得深入挖掘，为实现可持续发展提供新的思路和解决方案。