通过一种可重复使用的、基于壳聚糖的生物纳米复合片（其中嵌入了银纳米颗粒），实现从水介质中可持续吸附去除2,4-二硝基苯酚

《Journal of Environmental Management》：Sustainable adsorptive removal of 2,4-Dinitrophenol from aqueous media via a reusable chitosan-based bionanocomposite sheet embedded with silver nanoparticles

本研究通过绿色合成法制备了Parthenium hysterophorus（Ph）和壳聚糖（Ch）介导的银纳米颗粒（AgNPs）涂层纤维素滤膜（CFM）两种纳米复合材料，系统研究了其对2,4-二硝基苯酚（2,4-DNP）的吸附性能。通过优化pH 5、初始浓度50 mg/L、吸附剂用量20 mg及25℃条件，Ch/Ag@CFM和Ph/Ag@CFM的最大吸附容量分别为175.43 mg/g和161.29 mg/g。吸附动力学符合伪二阶模型，等温线符合Langmuir模型，且Ph/Ag@CFM表现出混合扩散控制特性。机理分析表明氢键作用是主要吸附机制。

　　

Koyel Biswas | Sushil Kumar Mandal

生态研究系与生态工程国际中心（ICEE），卡利亚尼大学，纳迪亚，卡利亚尼，西孟加拉邦，741235，印度

摘要

本研究报道了两种纳米复合材料的成功合成：一种是由Parthenium hysterophrous（Ph）介导的银纳米颗粒（AgNPs）包覆的纤维素滤膜（CFM），另一种是由Ph和壳聚糖（Ch）介导的AgNPs包覆的CFM，采用绿色合成方法制备。通过UV–Vis光谱、FTIR、DLS、TEM、SEM-EXD和XRD分析对所合成的纳米复合材料进行了表征。这两种纳米复合材料均表现出优异的吸附能力，能够有效去除水溶液中的2,4-二硝基酚（2,4-DNP）。系统研究了关键工艺参数，包括溶液pH值、吸附剂用量和初始污染物浓度。2,4-DNP在Ch/Ag@CFM上的吸附动力学符合准二级动力学模型，而平衡数据则最好地用Langmuir等温线拟合。在最佳条件下（pH 5，初始2,4-DNP浓度为50 mg/L，吸附剂用量为20 mg，温度为25 °C），Ch/Ag@CFM和Ph/Ag@CFM的最大吸附容量分别达到175.43 mg/g和161.29 mg/g。相比之下，Ph/Ag@CFM与准二级模型的吻合度较低，但表现出强烈的颗粒内扩散作用，表明其吸附过程受扩散控制。两种纳米复合材料的高吸附效率归因于Ph提取物中的羟基、壳聚糖中的氨基以及2,4-DNP中的硝基之间的氢键相互作用。

引言

化学产品的生产及其应用显著增加，导致了大量化学废物和污染物的产生，包括有机化合物和重金属。这些污染物通过各种处理工艺从水环境中去除；然而，这些工艺可能会改变水的化学、物理和生物特性（Danish等人，2017年）。当初级有机污染物（尤其是染料和酚类化合物）被释放到水体中时，会导致富营养化，降低溶解氧水平并限制光线穿透，从而对水生生物构成严重威胁。这些化合物的主要人为来源是工业制造和加工活动，特别是纺织、涂料、杀虫剂、杀菌剂、橡胶化学品和制药行业（Bhagat等人，2025年；Kriti等人，2025年）。在酚类化合物中，2,4-二硝基酚（2,4-DNP）广泛用于杀虫剂和杀菌剂，但它具有高毒性和致癌性。由于即使在极低浓度下也具有高毒性，并且在环境中容易积累，美国环境保护署（EPA）和世界卫生组织（WHO）将饮用水中酚的最大允许限值定为0.001 ppm（百万分之一），相当于1 ppb（十亿分之一）。已经采用了多种处理技术来去除酚类化合物，包括化学氧化（Yang等人，2018年）、光催化降解、离子交换（Cseri等人，2021年）、液-液萃取（LLE）（Jiao等人，2014年）、微生物降解（Arora和Bae，2014年）和固相萃取（SPE）（Danish等人，2017年）。

迄今为止，研究人员开发了先进的分离工艺，如纳滤和膜蒸馏，用于从盐中分离抗生素以及从水中去除甲苯（Liu等人，2024年；Gaur等人，2024年）。此外，Li等人（2025年）通过过硫酸盐/电催化系统合成了基于铜的金属有机框架，用于诺氟沙星的降解。像Sb₂O₃-CuO这样的催化金属纳米复合材料也被用于对硝基酚的催化降解（Liu等人，2024年）。最近，贵金属-聚合物纳米复合材料在多个科学领域引起了越来越多的关注。这种兴趣源于聚合物和金属之间的协同作用，这种作用增强了吸附能力，可以去除有机和无机污染物，并在广泛的pH范围内保持化学稳定性（Rajeev和Panicker，2025年；Gu等人，2024年；Francy等人，2025年）。在贵金属中，银纳米颗粒特别具有吸引力，因为它们具有高比表面积、长期稳定性和强界面活性（Salem等人，2016年）。

在这项工作中，制备了两种类型的纳米复合膜：一种是由Parthenium hysterophrous（Ph）介导的银纳米颗粒（AgNPs）包覆的纤维素滤膜（CFM），另一种是由Ph和壳聚糖（Ch）介导的AgNPs包覆的CFM。Parthenium hysterophorus（菊科植物），俗称豚草，是全球最具入侵性的物种之一。这种植物富含倍半萜内酯和酚酸等次生代谢物，在纳米颗粒合成中表现出显著的潜力。然而，目前尚无关于使用这种植物提取物、壳聚糖和纤维素滤膜制备Ag生物纳米复合膜的研究。与现有的膜过滤方法相比，所合成的生物纳米复合膜具有更低的能耗、更简单的操作流程、更环保的合成方法和更容易的再生过程。壳聚糖是一种天然聚合物，富含羟基（-OH）和氨基（-NH₂）官能团，来源于β-(1→4)-N-乙酰-D-葡萄糖胺（几丁质）。它具有优异的金属离子络合能力和优异的成膜性能，有助于形成分散均匀的金属纳米材料，并控制纳米颗粒的大小和形态（Del Prado-Audelo等人，2020年；Jung等人，2018年）。当壳聚糖用作滤膜上银纳米颗粒（AgNPs）的涂层时，可以提高纳米复合材料的性能和稳定性，同时增强污染物吸附能力。这种方法利用了生物纳米吸附膜的高表面积和机械强度，而且可以通过改性纳米颗粒来增强亲水性、抗污染性等特殊性能（Wu等人，2024年；Tan等人，2020年）。因此，本研究的目标如下：i）合成Ch/Ag@CFM和Ph/Ag@CFM纳米复合膜并分别对其进行表征；ii）研究关键参数（包括溶液pH值、初始2,4-DNP浓度、接触时间和吸附剂用量）对两种纳米复合膜吸附2,4-DNP性能的影响；iii）研究两种纳米复合膜的吸附动力学和等温线模型；iv）评估Ch/Ag@CFM纳米复合材料的抗菌活性。

实验部分

化学品

硝酸银（AgNO₃）、壳聚糖、NaOH、HCl、乙醇（99.9%）、2,4-二硝基酚（2,4-DNP）和纤维素滤膜（0.45 μm）均从印度Merck公司购买。营养肉汤由HI Media Laboratories提供，琼脂粉（Bacto级）由印度Sisco Research Laboratories提供。这些化合物未经额外纯化直接用于实验。

植物提取物的制备

Parthenium hysterophorus植物采集自印度西孟加拉邦纳迪亚的卡利亚尼街道。

UV–Vis光谱

合成的Ch-AgNPs和Ph-AgNPs的最大吸收峰分别位于425 nm和430 nm，这证实了银纳米颗粒的成功合成。而Ph提取物和壳聚糖溶液中未观察到类似的最大吸收峰（图1a）。

DLS研究

DLS分析显示，合成的Ch-AgNPs和Ph-AgNPs具有令人满意的物理化学性质。Ch-AgNPs的平均粒径（Z-average）为91.53 nm。

结论

在本研究中，合成了Ch/Ag@CFM和Ph/Ag@CFM生物吸附膜，用于处理水溶液中的污染物。通过多参数优化研究（包括pH值、接触时间、吸附剂用量和初始DNP浓度）来评估吸附效率。在pH 5、吸附剂用量20 mg和初始DNP浓度条件下，Ch/Ag@CFM和Ph/Ag@CFM的最大吸附容量分别达到124.25 mg/g和111 mg/g。

CRediT作者贡献声明

Koyel Biswas：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、软件使用、方法论设计、数据分析、概念构思。 Sushil Kumar Mandal：数据可视化、验证、监督、资源协调、实验设计、数据分析。

利益冲突声明

作者声明以下可能的利益冲突：Sushil Kumar Mandal获得了卡利亚尼大学的财务支持、设备、试剂和写作协助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢卡利亚尼大学提供的仪器支持，以及Koyel Biswas获得的大学研究奖学金（URS）。同时，作者感谢Debanjan Mukherjee在印度西孟加拉邦伯德万大学科学仪器中心（USIC）进行的TEM测量和成像工作。