铁钨酸盐/还原氧化石墨烯纳米复合材料在 Hospital 废水处理中的吸附性能及光芬顿催化活性

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Adsorptive and Photo-Fenton catalytic activities of Iron-Tungstate/Reduced graphene oxide nanocomposite for hospital wastewater treatment

医院废水处理中FeWO4/rGO纳米复合材料的吸附与光芬顿催化性能研究，采用一锅合成法制备并表征其结构，显示对Pb、Cd、Cu、Ni、Cr等重金属吸附效率达61.87%-86.68%，遵循伪二级动力学模型，最佳条件为0.1g吸附剂、120min接触时间、200rpm搅拌速度。光芬顿催化实验表明其在太阳光下能有效降解有机污染物，BBD优化获得最佳催化条件：0.35g催化剂、pH7、147.27min反应时间，BOD、TOC、COD去除率分别为63.54%、39.14%、33.33%。

　　

O.J. Ajala|J.O. Tijani|A.S. Abdulkareem|R.B. Salau|O.S. Aremu|D. Onwudiwe|T.C. Egbosiuba|M.N. Alharthi|Y. Balogun

尼日利亚米纳州博索校区联邦技术大学化学系，邮政编码P.M.B. 65

摘要

本研究介绍了一种新型FeWO₄/还原氧化石墨烯（rGO）纳米复合材料的合成、表征及其应用，该复合材料可作为吸附剂和光芬顿试剂用于去除重金属和处理医院废水。该纳米复合材料通过一锅法成功制备，并通过多种技术进行了表征，包括X射线衍射（XRD）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积分析仪、高分辨率扫描电子显微镜（HRSEM）、能量分散光谱（EDS）和紫外-可见光谱（UV–Vis）。FeWO₄/rGO纳米复合材料对铅（Pb）、镉（Cd）、铜（Cu）、镍（Ni）和铬（Cr）的吸附能力优异，最大去除效率分别为86.68%、80.13%、70.52%、68.10%和61.87%。吸附过程遵循伪二级动力学规律，最佳条件为0.1克吸附剂、120分钟接触时间和200转/分钟搅拌速度。此外，FeWO₄/rGO纳米复合材料在太阳辐射下表现出显著的光芬顿催化活性，可显著降低医院废水中的生化需氧量（63.54%）、总有机碳（39.14%）和化学需氧量（33.33%）。通过Box-Behnken设计优化光芬顿过程后，发现有机污染物降解的最佳条件为0.35克催化剂、pH 7和147.27分钟反应时间。这些发现突显了FeWO₄/rGO纳米复合材料在有效处理废水方面的潜力，为去除医院废水中的有害污染物提供了可持续的解决方案。

引言

由于医院废水中含有有机和无机污染物，这些污染物对人类和水生生物具有危害性，因此医院废水管理一直是环境化学家关注的重点（Joshi等人，2025年）。其中许多污染物具有毒性，难以通过传统方法降解。它们可以通过食物链进入人体，导致严重的健康问题，包括突变、基因毒性、致死性和致癌效应（Ait Bella等人，2023年）。

目前，吸附和高级氧化技术常用于去除工业废水中的不可生物降解的有机和无机化合物。由于这些方法效率高、操作简便、成本低，并且能够处理高浓度和低浓度的各种有机化合物，因此受到研究人员的广泛关注（Adeyanju等人，2022年）。这些过程的一个关键优势是材料在使用后可以重复利用。在吸附过程中，有机污染物通过物理和化学作用在吸附剂表面积聚而被分离（Nwosu等人，2019年）。此外，高级氧化过程通过生成强氧化自由基（如过氧化氢、羟基和超氧阴离子）将有机化合物转化为毒性较低、更易生物降解的化合物，或完全转化为二氧化碳和水（Ighalo等人，2021年）。

在高级氧化过程（AOPs）中，光芬顿过程被认为是矿化有机物质的最有效方法之一。该过程涉及在光照条件下，过氧化氢（H₂O₂）作为氧化剂和亚铁（Fe²⁺）作为催化剂之间的反应（Bai等人，2024年）。某些异质催化剂在光照作用下可显著增强催化活性，使电子从半导体催化剂的价带转移到导带，从而产生电子-空穴对（Bai等人，2024年；Wang等人，2023年）。激发的电子促进过氧化氢转化为羟基自由基，而空穴参与有机化合物的分解（Ding等人，2022年；Wang等人，2021年）。因此，异质光芬顿催化逐渐被视为处理含有顽固有机污染物的废水的更实用和高效的方法（Maya等人，2025年）。

基于铁的纳米颗粒，特别是铁钨酸盐（FeWO₄ NPs），因其高催化活性、环保性和成本效益而受到关注（Haruna等人，2024年）。FeWO₄以其四方晶体系统和独特的三维棱柱结构而著称（Haruna等人，2024年）。它主要存在于两种相中：具有四重旋转对称性的四方钨酸盐相和对称性较低的单斜钨酸盐相。这种结构差异影响了其物理和化学性质（Haruna等人，2024年）。在晶体晶格中，钨原子由氧原子配位，而铁原子占据特定的晶格位置，从而增强了稳定性和性能。铁钨酸盐的光芬顿特性与其独特的晶体结构和电子配置密切相关（Haruna等人，2024年）。尽管铁钨酸盐具有独特性，但它容易聚集并导致反应系统中铁的解离。多项研究制备了不同形状和大小的铁钨酸盐纳米材料。例如，Maya等人（2025年）使用简单的水热法合成了铁钨酸盐纳米颗粒、纳米棒和纳米纤维三种形态。这些纳米材料用于光芬顿降解环丙沙星（CIP），在催化剂浓度为100 mg/L、过氧化氢浓度为2.0 mM的条件下，40分钟后降解率达到99%。此外，Tan等人（2024年）合成了混合价态的FeWO₄-涂层的2D Ti₃C₂ Mxene光催化剂，用于光芬顿去除水中的多种常见污染物。研究表明，尽管MXene几乎不响应光，但其氧化性能优于FeWO₄（FW-M50和FW-M150）。Shi等人（2022年）通过水热法合成了FeWO₄纳米颗粒和FeWO₄/BiOCl纳米复合材料，并将其应用于模拟太阳光照下的四环素盐酸盐的光芬顿降解。研究显示，FeWO₄/BiOCl纳米复合材料的速率常数（k）为0.0531 min^–1，是FeWO₄纳米颗粒（速率常数为0.0332 min^–1）的1.5倍。之前的研究均未探讨吸附和光芬顿方法结合用于医院废水处理，而且大多数作者未能优化影响过程整体效率的参数。本研究的优势在于将吸附和光芬顿技术相结合并进行优化，有望提高性能，从而更有效地去除实际废水中的无机和有机污染物。值得注意的是，当铁钨酸盐纳米颗粒与还原氧化石墨烯（rGO）结合时，基于rGO的纳米复合材料为解决FeWO₄纳米颗粒的性能问题提供了有希望的解决方案。将FeWO₄纳米颗粒掺入rGO中可以有效缓解颗粒聚集问题，这通常会导致较大团块的形成，从而影响材料的均匀性和功能性。此外，这种结合还有助于降低材料的高密度，提高整体结构稳定性。rGO的存在还有助于在各种环境条件下减少FeWO₄的分解，从而提高材料的稳定性。由于环境因素或界面反应可能导致的内在性质变化，在FeWO₄与rGO混合后变得不那么明显，使材料能够保持其理想的特性。

本研究首次报道了FeWO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料在去除和降解医院废水中有毒污染物方面的吸附和光芬顿活性。研究包括FeWO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料的一锅法合成及其表征，并评估了该复合材料对医院废水中常见重金属的吸附效果。基于Box-Behnken设计（BDD）评估了FeWO₄/还原氧化石墨烯纳米复合材料在光芬顿作用下降解医院废水有机污染物的效果。BDD相比传统优化方法具有优势，因为它需要的实验次数较少，能捕捉所有交互效应，且成本更低。

材料

以下化学品和试剂及其指定的纯度百分比购自Sigma Aldrich，无需进一步纯化即可使用：FeSO₄·7H₂O（99.2%）、Na₂WO₄·2H₂O（99.0%）、HCl（35%）、石墨（93%）、浓H₂SO₄（98%）、KMnO₄（99%）、抗坏血酸（99.9%）、NH₃溶液（30%）。2024年3月从尼日利亚伊巴丹大学学院医院（UCH）收集了医院废水。样品经过妥善处理并保存在保护其质量的条件下。

紫外-可见分析

FeWO₄纳米颗粒和FeWO₄/rGO纳米复合材料的紫外-可见光谱和带隙能量图如图2(a,b)所示。光学带隙是通过Tauc方程从样品的吸收数据确定的，该方程描述了吸收系数与纳米颗粒入射光子能量之间的关系（见方程（7）。${\left(Khv\right)}^n=B\left(hv{E}_g\right)$其中Eg是光学带隙，B是常数，n是直接带隙。图2(a,b)显示了该图。

结论

本研究通过一锅法成功合成了FeWO₄/rGO纳米复合材料，并验证了其结构完整性和增强的吸附及光芬顿性能。该纳米复合材料在去除医院废水中的重金属方面表现出显著效果，去除效率顺序为：Cr > Ni > Cu > Cd > Pb。此外，FeWO₄/rGO纳米复合材料在降解有机污染物方面也表现出显著效果。

未引用参考文献

Zisti等人（2024年）。

CRediT作者贡献声明

O.J. Ajala：撰写——初稿、方法论、实验设计。J.O. Tijani：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。A.S. Abdulkareem：监督、资金获取、概念构思。R.B. Salau：监督、资金获取、概念构思。O.S. Aremu：软件开发、数据分析。D. Onwudiwe：撰写——审稿与编辑、数据分析、数据管理。T.C. Egbosiuba：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢尼日利亚高等教育信托基金（TETFund/FUTMINNA/2024/076）的资助。作者还感谢沙特阿拉伯利雅得Princess Nourah Bint Abdulrahman大学的研究支持项目（PNURSP2025R481）。