《Desalination and Water Treatment》：Adsorption Kinetics, Isotherm, and Thermodynamics Studies of Phytochemical-Assisted Synthesized ZnO Nanoparticles for the removal of selected heavy metals from Abattoir Wastewater
编辑推荐：
本研究针对屠宰废水重金属污染问题，通过Piliostigma thonningii叶提取物绿色合成ZnO纳米颗粒，系统探究其对Cr、Cu、Pb、Cd的吸附性能。结果表明：优化条件下去除率达87.22%（Cr）、86.82%（Pb）、86.33%（Cu），Langmuir模型显示最大吸附容量分别为91.25、88.57、85.92、82.34 mg/g，动力学符合准二级模型，热力学证实为自发吸热过程。该研究为绿色吸附剂开发提供了新策略。
随着屠宰行业的快速发展，屠宰废水排放量急剧增加，这类废水含有高浓度的有机物、悬浮固体以及铬（Cr）、铜（Cu）、铅（Pb）、镉（Cd）等重金属离子，被尼日利亚国家环境标准与法规执行机构（NESREA）列为最具危害性的工业废水之一。不当排放会导致河流缺氧、地下水污染和病原体传播，对经济和公共卫生构成严重威胁。传统生物处理方法（如厌氧和好氧工艺）虽能降解有机污染物，但对重金属的去除效果有限，难以满足严格的排放标准。高级氧化工艺（AOPs）作为后续处理虽能提升效率，但存在能耗高、运行成本大等问题。因此，开发经济、高效且环境友好的吸附材料成为研究热点。
氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）因其高比表面积、化学稳定性和对金属离子的强亲和力，在吸附领域展现出巨大潜力。然而，传统化学合成方法使用有毒试剂且能耗高，引发环境和可持续性担忧。植物提取物介导的绿色合成技术利用 phytochemicals（如类黄酮、单宁、皂苷）作为生物还原和稳定剂，可制备生物相容性高、吸附性能优异的ZnO NPs。本研究首次采用Piliostigma thonningii叶提取物绿色合成ZnO NPs，并系统评估其对屠宰废水中多种重金属的吸附性能，旨在为复杂工业废水处理提供一种新型、环保的解决方案。
本研究主要关键技术方法包括：1）使用Piliostigma thonningii叶提取物通过水解、缩合和煅烧过程绿色合成ZnO NPs；2）采用Box-Behnken实验设计优化合成参数（搅拌时间、提取物体积、pH）；3）利用UV-Vis、FTIR、XRD、BET、HRTEM/SAED、SEM/EDX等技术表征纳米颗粒的结构、形貌和表面性质；4）通过批次吸附实验考察接触时间、吸附剂剂量、温度对重金属（Cr、Cu、Pb、Cd）去除的影响；5）运用Langmuir、Freundlich、Temkin等温线模型和伪一级、伪二级、颗粒内扩散、Elovich动力学模型分析吸附机理；6）基于热力学参数（ΔG、ΔH、ΔS）评估吸附过程的自发性和能量变化。废水样本采集自尼日利亚尼日尔州Garatu屠宰场。
Phytochemical Composition of Piliostigma thonningii for Synthesis of ZnO Nanoparticles
通过 phytochemical 分析发现，Piliostigma thonningii叶提取物富含酚类（196.11 mg/100 g）、单宁（77.38 mg/100 g）和皂苷（106.41 mg/100 g），这些化合物在ZnO NPs合成中充当还原剂和稳定剂，有助于形成分散性良好、不易团聚的纳米颗粒。
UV-Visible Spectroscopy
UV-Vis光谱在267–365.37 nm范围内显示特征吸收峰，证实ZnO NPs的成功合成。通过优化参数（提取物体积60 cm3、搅拌时间30 min、pH 10）可获得最佳合成效果。
Dynamic Light Scattering (DLS) Analysis of ZnO Nanoparticles
DLS显示Z平均粒径为43.61 nm，粒径分布均匀，表明纳米颗粒分散良好，具有较高的胶体稳定性。
XRD analysis of ZnO nanoparticles
XRD图谱显示ZnO NPs为六方纤锌矿结构，结晶度高（98.94%），晶粒尺寸通过Scherrer和Williamson-Hall方法计算分别为10.67 nm和12.78 nm，无杂质峰，证实产物纯度高。
BET analysis of ZnO nanoparticles
BET比表面积为32.54 m2/g，氮吸附-脱附等温线为IV型，滞后环为H3型，表明材料具有介孔结构，孔径分布集中在3–4 nm，有利于重金属离子的扩散和吸附。
HRTEM/SAED ZnO nanoparticles
HRTEM显示ZnO NPs呈六边形，平均粒径17.75 nm，晶格条纹间距0.26 nm，对应（002）晶面。SAED图谱呈现多晶环，与XRD结果一致，证实纳米颗粒为纯相纤锌矿结构。
SEM/EDX ZnO nanoparticles
SEM显示颗粒表面粗糙且存在团聚，EDX谱图显示Zn和O的原子百分比分别为65.34%和34.66%，符合ZnO化学计量比，无杂质元素。
FTIR analysis of ZnO nanoparticles
FTIR谱图中3682.2 cm?1和3449.0 cm?1处的吸收峰归因于O–H伸缩振动，1639.2 cm?1处为C=O振动，900.97 cm?1处为Zn–O键振动，表明植物提取物中的官能团参与了纳米颗粒的包覆和稳定。
Heavy metals ions analysis of Abattoir Wastewater
屠宰废水中Pb、Cd、Cr、Cu的初始浓度分别为2.000 mg/L、0.995 mg/L、1.014 mg/L、5.003 mg/L，均远超WHO/EPA和NIS标准限值，凸显了处理必要性。
Adsorption studies
接触时间实验表明，吸附在30 min内达到平衡，Cd和Cr的去除率最高（>95%）。吸附剂剂量实验显示，当剂量增至0.08–0.1 g时，去除率趋于饱和。温度实验证实吸附为吸热过程，70–80°C时去除效率最佳。
Adsorption Kinetics of Heavy Metals onto ZnO Nanoparticles
动力学数据最符合Elovich模型（R2 > 0.97），表明吸附发生在异质表面，并受化学吸附主导。颗粒内扩散模型显示Cu和Pb的吸附受扩散控制。
Adsorption Isotherm of Heavy Metals onto ZnO Nanoparticles
Langmuir模型拟合最佳（R2 > 0.99），表明吸附为单分子层过程。Freundlich和Temkin模型也显示良好相关性，反映吸附存在多层作用和能量分布。
Thermodynamics studies
ΔG为负值，ΔH为正值，ΔS为正值，表明吸附是自发、吸热和熵增的过程，升温有利于吸附容量提升。
Comparative study of adsorption process
与文献报道的ZnO基吸附剂相比，本研究制备的ZnO NPs对Cr、Pb、Cu、Cd的吸附容量（82.34–91.25 mg/g）具有竞争力，且绿色合成路线更环保。
本研究通过绿色合成法制备了高性能ZnO NPs，系统阐明了其对屠宰废水中重金属的吸附机制。结果表明，该材料具有高吸附容量、快速动力学和良好的热力学稳定性，为重金属污染治理提供了一种可持续、低成本的解决方案。未来研究可聚焦于吸附剂的再生循环性能和实际废水处理中的规模化应用。
