磁性纳米颗粒在中性pH矿山废水中的锌选择性去除：环境修复新策略

《Environmental Science: Nano》：The removal of Zn from complex circumneutral pH mine waters using magnetic nanoparticles (MNPs)

本文系统评估了磁性纳米颗粒（MNPs）对中性pH矿山废水中锌（Zn）的高效去除能力。研究通过吸附实验证实，MNPs在复杂水体基质中展现出优异的Zn选择性吸附性能，且不受竞争离子（如Ca2+、Mg2+）干扰。该技术为矿山废水治理提供了绿色可持续解决方案，兼具可回收性（磁性分离）与规模化应用潜力。

　　

环境意义

矿山废水排放因富含重金属而对水生生态系统构成严重威胁。本研究通过磁性纳米颗粒（MNPs）处理英国两处典型中性pH矿山废水，证明其在不同地球化学条件下均能高效去除锌（Zn），为开发可扩展、低成本的水处理技术提供了新思路。

引言

全球对关键金属需求的激增加剧了采矿活动，导致大量含金属废水进入环境。中性pH矿山废水虽不如酸性矿山排水（AMD）受关注，但广泛存在于锌铅银等矿床区域，其锌浓度可高达27 mg L^?1。英国历史矿区（如北约克郡与威尔士）的中性pH废水中锌、铅浓度常超出环境质量标准（EQS），亟需开发高效修复技术。传统活性处理（如化学沉淀）成本高昂，被动处理（如人工湿地）易受环境因素干扰。吸附技术虽具潜力，但面临选择性差的挑战。磁性纳米颗粒（MNPs）凭借高比表面积、可调控表面特性及磁性回收优势，成为新兴水处理材料。本研究首次系统评估MNPs在实际中性pH矿山废水中的锌去除性能，填补了实验室研究与实际应用间的空白。

研究方法

MNP合成与表征

采用共沉淀法合成磁铁矿（Fe₃O₄）MNPs，其表征数据引自前期研究（O'Neill et al., 2025）。颗粒尺寸均一，超顺磁性确保后续磁性分离效率。

水样采集与地理背景

选取英国两大地质背景迥异的矿区：北约克郡奈恩特河谷（石灰岩主导）与威尔士伊斯泰斯河谷（砂岩-泥岩层）。分别采集河流与矿坑涌水样本（奈恩特河、哈格斯涌水、伊斯泰斯河、克姆伊斯泰斯涌水），现场测定pH（6.2–8.8）、电导率等参数，实验室通过ICP-OES和离子色谱（IC）分析元素及离子组成。

吸附实验设计

在厌氧条件下，向150 mL水样中添加MNPs（0.1、1、5 g L^?1），48小时内定时取样。离心后利用ICP-OES测定锌浓度，IC分析阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺）与阴离子（SO₄^2?、Cl^?）变化。采用Langmuir模型拟合吸附容量，线性化公式计算最大吸附量（Q_max）。

结果与讨论

水化学特征差异

奈恩特河谷样本钙浓度显著（12.7–22.45 mg L^?1），伊斯泰斯河谷样本锌（14.58 mg L^?1）和硫酸根（75 mg L^?1）浓度突出。硬度分析显示哈格斯涌水与克姆伊斯泰斯涌水属中等硬度（61–120 mg L^?1），与当地碳酸盐岩地质相符。所有样本锌浓度均超EQS限值（泰菲流域0.0134 mg L^?1），克姆伊斯泰斯涌水超标达千倍。

锌去除动力学与容量

MNPs在4分钟内快速吸附锌，48小时内无解吸现象。低锌样本（奈恩特河、哈格斯涌水）在0.1 g L^?1MNP下即可完全去除锌；高锌样本（伊斯泰斯河、克姆伊斯泰斯涌水）需≥1 g L^?1MNP才能显著降低浓度。Langmuir模型给出Q_max=26.80 mg g^?1，虽低于部分改性吸附剂（如石墨烯氧化物复合物），但未修饰MNPs在真实水体中表现稳定。

竞争离子影响与选择性机制

背景离子（Ca²⁺、Na⁺）吸附量远低于锌，证实MNPs对锌的优先选择性。锌因高电荷密度易与MNP表面羟基形成内层络合物，而二价离子（Ca²⁺、Mg²⁺）因水合能强难以脱水吸附。硫酸根共吸附现象提示局部电荷作用可能影响锌吸附位点，但未显著削弱锌去除效率。铅的吸附因容器吸附干扰未能定量，需后续同位素示踪研究验证。

结论

MNPs在实际中性pH矿山废水中展现出卓越的锌选择性去除能力，其性能受初始锌浓度与MNP剂量共同调控。技术优势包括：无需pH调节、磁性回收便利、抗背景离子干扰。未来通过表面功能化（如羧基修饰）可进一步提升吸附容量与选择性，为矿区水体重金属治理提供绿色技术路径。