利用新型磁性ZnO-MnFe?O?修饰的MWCNTs吸附剂高效去除废水中的铜离子

《Journal of Molecular Liquids》：Efficient removal of copper ions from wastewater using a novel magnetic ZnO-MnFe 2O 4 decorated on MWCNTs adsorbent

磁性纳米复合材料吸附去除Cu(II)离子研究

　　铜作为一种重要的微量元素，在人体健康中扮演着不可或缺的角色。然而，当其浓度超过一定阈值时，它就会对生态环境和人类健康造成严重威胁。尤其是在工业排放中，铜离子（Cu(II)）常常进入水体系统，随着时间的推移可能在生物体内积累，进而引发一系列健康问题。例如，长期暴露于高浓度铜离子可能会导致肝脏和肾脏损伤、胃肠道不适以及神经系统功能障碍。此外，铜的积累还可能对儿童发育产生不利影响，并与威尔逊病等遗传性疾病存在潜在关联。在生态层面，铜的污染会破坏水生生态系统，抑制浮游植物的生长，影响鱼类的鳃功能，并通过食物链生物累积，最终威胁整个生态平衡。因此，为了保护水资源和生态环境，各国政府和相关机构对铜的排放设定了严格的监管标准，例如美国环境保护署（EPA）规定饮用水中铜的最高浓度限制为1.3?mg/L。这些严格的限制推动了对高效铜去除技术的研究和开发。

传统的铜去除方法，如化学沉淀、混凝和离子交换，虽然在某些情况下有效，但它们也存在诸多局限性。例如，这些方法通常需要大量化学试剂，可能产生大量污泥，且对目标金属的去除效果并不总是理想。因此，近年来的研究逐渐转向更为先进的材料和技术，特别是纳米复合材料的开发和应用。纳米复合材料因其独特的物理化学性质，如高比表面积、优异的吸附能力、良好的选择性和可回收性，成为去除重金属污染的重要选择。这些材料通常由多种纳米组分构成，能够协同作用，从而提高吸附效率。

在众多纳米复合材料中，磁性纳米复合材料因其独特的分离特性而受到广泛关注。这类材料通过将磁性纳米颗粒嵌入吸附基质中，使得吸附材料能够通过外部磁场迅速从处理后的溶液中分离出来，大大提高了处理效率和材料的可重复使用性。磁性纳米颗粒不仅有助于吸附材料的分离，还能通过其表面特性增强对目标金属离子的吸附能力。例如，某些研究中通过在磁性纳米颗粒表面引入特定的功能基团或涂层，进一步提升了其对铜离子的吸附性能，同时减少了与其他离子的竞争吸附，从而提高了去除效率。

近年来，关于磁性纳米复合材料的研究取得了显著进展。一些研究团队开发了多种新型磁性纳米复合材料，以提高其对铜离子的吸附能力。例如，Fu和Huang开发了一种经过二硫代氨基甲酸盐修饰的磁性还原氧化石墨烯（rGO-PDTC/Fe?O?）复合材料，该材料在去除汞（II）、铅（II）、镉（II）和铜（II）离子方面表现出优异的性能。Fan等人则利用高重力技术合成了一种羧甲基纤维素固定的Fe?O?复合材料，实现了对铅（II）离子的高效去除。Almomani等人和Singh等人分别展示了Fe?O?纳米颗粒在金属去除中的应用，其中Almomani团队通过接枝超支化聚甘油实现了对多种金属离子的高效提取，而Singh团队则优化了在不同pH条件下的金属去除效果，特别强调了铅离子的去除效率。

除了磁性纳米复合材料，其他类型的纳米复合材料也在铜去除领域展现出潜力。例如，石墨烯增强复合材料通过结合吸附和光催化降解的功能，为去除重金属和有机污染物提供了新的解决方案。Donga等人将石墨烯与二氧化钛和磁性纳米颗粒结合，开发出一种能够同时去除重金属和有机污染物的复合材料。Ferrite基吸附材料在特定的pH条件下也表现出良好的性能，例如Khoso等人利用镍铁矿纳米颗粒（NFNs）在pH 5时去除镉（II）和铅（II）离子，达到超过90%的去除率。Jayalakshmi等人则采用钴铁矿纳米颗粒（CFN）实现了对锌和铅的高效去除。Kumari等人通过碱土金属掺杂进一步提升了镍铁矿对镉（II）和铅（II）的去除能力，同时验证了其符合朗缪尔等温线和伪二级动力学模型。Liu等人则通过引入氨基和羧基基团对Fe?O?@SiO?进行功能化，使其对铅（II）离子表现出高度的亲和力，并且其吸附行为符合朗缪尔等温线和伪二级动力学模型。

从这些研究可以看出，磁性纳米复合材料在去除铜离子方面具有显著优势。它们不仅能够通过外部磁场实现快速分离，还能通过其表面特性提高吸附效率。此外，磁性纳米复合材料的多功能性使其在不同应用场景中具有广泛的适用性，包括工业废水处理、饮用水净化以及棕地修复等。在这些应用中，磁性纳米复合材料可以用于批处理系统或连续流动系统，适应不同规模的水处理需求。

本研究提出了一种新型的磁性纳米复合材料，该材料由多壁碳纳米管（MWCNTs）、氧化锌（ZnO）和锰铁矿（MnFe?O?）组成，简称为CZM复合材料。该材料的合成基于共沉淀法，并通过一系列表征技术对其结构和性能进行了系统分析。CZM复合材料具有较高的比表面积（58.383?m2/g），这一特性为其提供了丰富的吸附位点，从而提高了对铜离子的吸附能力。此外，ZnO纳米颗粒在防止MWCNTs团聚方面发挥了重要作用，使得吸附位点更加容易接触，进一步增强了吸附效率。通过批处理吸附方法和响应面法（RSM）对吸附效率进行了研究，结果显示，在初始铜离子浓度为24.09?mg/L和吸附剂用量为0.97?g/L的条件下，CZM复合材料的吸附效率达到了99.92%。这一结果表明，CZM复合材料在去除铜离子方面具有非常高的性能。

动力学研究表明，CZM复合材料的吸附行为符合伪二级动力学模型，这表明吸附过程可能涉及化学吸附机制，其中吸附速率受到吸附剂表面活性位点的限制。此外，等温吸附分析显示，弗伦德利希等温模型（FI）与实验数据最为吻合，这说明吸附过程可能存在多层吸附或非均匀表面分布。热力学分析进一步揭示了吸附过程的自发性和吸热性，表明在适当的条件下，CZM复合材料能够有效去除铜离子。

值得注意的是，尽管吸附效率在五个吸附-解吸循环中略有下降，从99.92%降至92.12%，但这一材料仍然表现出良好的稳定性和可重复使用性。这表明CZM复合材料在实际应用中具有较高的可行性，尤其是在需要长期运行和多次循环的水处理场景中。此外，该材料的最低使用量能够有效净化含铜离子的水体，进一步降低了处理成本。

在实际应用中，CZM复合材料的性能还受到多种操作参数的影响，包括初始铜离子浓度、温度、pH值、吸附剂用量和接触时间。通过响应面法（RSM）基于中心组合设计（CCD）对这些参数进行了优化，从而确定了最佳的吸附条件。这些优化参数不仅有助于提高吸附效率，还为实际工程应用提供了理论依据。此外，吸附机制的进一步研究揭示了该材料在去除铜离子过程中的多种作用方式，如表面络合、离子交换和静电吸引等，这些机制共同作用，提高了材料的吸附能力和选择性。

综上所述，CZM磁性纳米复合材料在去除铜离子方面展现出优异的性能，不仅具有高比表面积和良好的磁分离特性，还能通过多组分协同作用提高吸附效率和选择性。这些特性使其成为一种极具潜力的吸附材料，有望在未来的水处理技术中发挥重要作用。然而，尽管其性能优越，但磁性纳米复合材料的合成和应用仍面临一些挑战，包括合成工艺的复杂性、材料的表征难度、大规模生产的可行性以及实际应用中的环境影响等问题。因此，未来的研究需要进一步探索这些材料的合成方法，优化其结构和性能，并评估其在实际水处理中的可行性和可持续性。只有通过持续的研究和创新，才能推动磁性纳米复合材料在重金属污染治理领域的广泛应用，为保护水资源和生态环境提供更加有效的解决方案。