2006年至2023年间发表的关于创新生态系统研究的文献梳理：一项科学计量学综述

《Journal of Engineering and Technology Management》：Mapping innovation ecosystem research published from 2006 to 2023: A scientometric review

电动力学（EK）结合kappa carrageenan（kC）水凝胶反应过滤介质（RFM）可有效去除土壤中的铜、镍、锌。优化实验表明，4% kC RFM配合2% glutaraldehyde（GD）交联，在14天内实现96.62%铜、93.98%镍和99.98%锌的去除率。DFT模拟显示铜离子结合能（341.1 kJ/mol）显著高于锌（545.7 kJ/mol）和镍（106.0 kJ/mol），但实验结果因铜离子扩散受限及土壤pH动态变化而存在差异。该方案通过控制碱性前锋扩展和增强吸附位点选择性，实现了高效重金属固定与去除，具有可持续性和成本优势。

　　本研究探讨了电动力（EK）技术在单一和多种重金属去除方面的可行性，特别是在使用了κ-卡拉胶（kC）水凝胶反应性滤料介质（RFM）的情况下。这一方法被设计用于可持续的土壤修复过程，旨在有效清除铜、镍和锌等重金属污染。通过实验与理论模拟的结合，研究团队揭示了kC水凝胶在吸附重金属方面的显著潜力，并进一步通过与戊二醛（GD）的交联处理，增强了其吸附能力和对土壤碱性前沿的控制。

在研究过程中，首先对不同浓度的kC水凝胶进行了优化测试。结果表明，4%浓度的kC RFM在去除铜离子方面表现最佳，达到了84%的去除率。随后，研究团队将4%的kC与2%的GD进行交联处理，以最大化RFM的吸附能力，并抑制土壤中的碱性前沿推进。在两周期间，这一交联处理显著提升了重金属的去除效率，实现了96.62%的铜去除率、93.98%的镍去除率以及99.98%的锌去除率。这一成果表明，交联后的kC-GD水凝胶在重金属去除方面具有优越的性能。

为了验证重金属的吸附过程，研究团队使用了扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）对水凝胶进行了分析。结果表明，重金属确实被吸附在kC-GD水凝胶的表面，支持了实验中观察到的高效去除效果。此外，密度泛函理论（DFT）模拟进一步揭示了金属离子与kC-GD水凝胶之间的结合能，其中铜离子的结合能为341.1 kJ/mol，锌离子为545.7 kJ/mol，镍离子为106.0 kJ/mol。然而，实验结果与理论预测存在显著差异，主要原因是铜离子在水凝胶中的扩散受限，以及土壤pH值在电动力处理过程中的动态变化。这些因素导致了铜离子的去除效率低于理论预期，而锌和镍的去除效率则接近实验条件下的最佳水平。

在实验设计中，团队进行了八次电动力处理实验，分别测试了不同kC浓度（4%、5%、6%）和不同处理条件下的重金属去除效果。其中，Exp1是无RFM的基线实验，仅达到了3.29%的铜去除率，而Exp2到Exp4分别使用了4%、5%和6%的kC作为RFM，其中Exp2的去除率最高，达到了84.07%。这说明在优化kC浓度后，可以显著提升电动力处理的效果。随后，Exp5到Exp8测试了kC-GD交联水凝胶的性能，其中Exp8处理了铜、镍和锌的混合污染，结果显示锌和镍的去除率分别为99.86%和99.97%，而铜的去除率则为93.38%。这一现象表明，在多种重金属共存的情况下，锌和镍更容易被水凝胶吸附，而铜的去除则受到扩散和pH变化的影响。

在实验过程中，团队还对电动力处理对土壤pH值和电导率的影响进行了详细分析。结果显示，随着电动力处理的进行，土壤pH值从初始的4.1逐渐降低，特别是在使用了kC-GD水凝胶的情况下，pH值保持在较低的酸性范围内（2.8到3.3）。这种酸性环境有助于重金属离子的溶解和迁移，从而提高其在土壤中的去除效率。同时，电导率的变化也反映了电动力处理对离子迁移和分布的影响。较高的电导率通常出现在靠近阳极的区域，而靠近阴极的区域由于金属氢氧化物的沉淀，电导率较低。这些变化为理解电动力处理过程中的离子行为提供了重要的依据。

在分析水凝胶的物理化学特性时，团队利用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和氮气吸附-脱附等方法。FTIR分析显示，kC水凝胶含有丰富的羟基（-OH）和硫酸酯基（-SO??）等官能团，这些官能团在重金属吸附过程中起到了关键作用。通过交联处理，GD的引入增加了水凝胶的表面官能团数量，从而增强了其吸附能力。氮气吸附-脱附实验则揭示了水凝胶的比表面积和孔隙结构的变化。结果显示，交联后的kC-GD水凝胶具有更高的比表面积和更大的孔隙体积，这有助于提高其吸附能力并促进离子的扩散。

此外，团队还评估了水凝胶的表面特性，如接触角和润湿性。结果显示，随着kC浓度的增加，水凝胶的接触角逐渐上升，表明其表面从亲水性向疏水性转变。这一变化与水凝胶的结构变化密切相关，特别是在高浓度的kC中，由于官能团的排列和聚合物链的交联，表面润湿性有所下降。然而，这种疏水性变化并未显著影响其吸附能力，反而可能有助于提高水凝胶的机械强度和稳定性。

在电动力处理过程中，团队还观察到电流和电压的变化趋势。电流的波动主要受到土壤pH值变化和离子迁移的影响，而电压的变化则反映了土壤电阻的变化。在未使用RFM的Exp1中，电流逐渐下降，这可能与金属氢氧化物的沉淀和土壤碱性前沿的快速推进有关。而在使用了kC-GD水凝胶的Exp5到Exp8中，电流相对稳定，表明RFM有效地控制了土壤中的pH变化，减少了金属氢氧化物的沉淀，从而提高了电动力处理的效率。

实验结果还表明，kC-GD水凝胶在去除多种重金属方面具有显著优势。锌和镍的去除率分别达到了99.97%和99.86%，而铜的去除率则为93.38%。这种差异可能与金属离子的化学性质和在水凝胶中的吸附机制有关。锌和镍的吸附主要依赖于其较高的离子迁移能力和较低的pKa值，而铜的吸附则受到其较低的离子迁移速率和较高的pKa值的影响。因此，在设计RFM时，需要综合考虑金属离子的化学性质和处理条件，以实现最佳的去除效果。

研究团队还对水凝胶的可重复使用性进行了评估。通过脱附实验，他们发现kC-GD水凝胶在酸性条件下能够释放出部分吸附的重金属离子，这表明其具有一定的可逆性。然而，由于水凝胶结构的破坏和官能团的不可逆结合，其在脱附后通常不再适合重复使用。因此，在实际应用中，需要权衡水凝胶的可重复使用性和处理效率，以选择最适合的处理方案。

总的来说，本研究为电动力修复技术提供了一种新的解决方案，即使用kC-GD水凝胶作为反应性滤料介质。这种材料不仅具有良好的吸附性能，还能有效控制土壤中的pH变化，从而提高重金属的去除效率。此外，通过实验和理论模拟的结合，团队进一步揭示了金属离子与水凝胶之间的相互作用机制，为未来的研究和应用提供了重要的理论支持。尽管在某些情况下，理论预测与实验结果存在差异，但这些差异可以通过优化处理条件和选择合适的RFM来加以克服。因此，kC-GD水凝胶在重金属污染土壤修复中展现出巨大的应用潜力。