《Environmental Research》：Functionalized hierarchical cellulose aerogel for simultaneous removal of Pb(II), Cd(II), and Cr(VI): performance enhancement and adsorption mechanisms
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•通过L-半胱氨酸合成了巯基化纤维素气凝胶。•该气凝胶对Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)具有优异的共吸附性能。•经过五次再生循环后，该气凝胶的吸附容量仍保持超过82%。•其吸附机制包括螯合作用、还原作用和静电吸引。引言随着轻纺工业和重工业的快速发展，工业废水的随意排放以及
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通过L-半胱氨酸合成了巯基化纤维素气凝胶。
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该气凝胶对Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)具有优异的共吸附性能。
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经过五次再生循环后，该气凝胶的吸附容量仍保持超过82%。
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其吸附机制包括螯合作用、还原作用和静电吸引。
引言
随着轻纺工业和重工业的快速发展，工业废水的随意排放以及农药的过度使用加剧了河水中的重金属污染[1]。铬（Cr）主要来源于电镀和制革行业，而镉（Cd）和铅（Pb）则主要来自金属冶炼和采矿活动。Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)具有生物积累性和高毒性，因此对生态系统和人类健康构成了重大威胁[2],[3]。在肯尼亚，水体中Cd(II)和Pb(II)的浓度分别高达8.0毫克/升和121.40毫克/升，远超过世界卫生组织（WHO）设定的标准。印度制革工业区附近的地下水中Cr(VI)含量高达40.52毫克/升[4]。在中国珠江三角洲地区，水底沉积物中的Cd(II)和Pb(II)主要受人为活动（如工业排放）的影响，而Cr(VI)则主要受自然来源的影响[5]。WHO为重金属制定了明确的排放限制，例如Cd(II) ≤ 3微克/升，总Cr ≤ 0.05毫克/升，Pb(II) ≤ 10微克/升。中国将工业废水中的Cr(VI)、Cd(II)和Pb(II)的排放限值分别定为0.05毫克/升、0.005毫克/升和0.05毫克/升（GB 3838-2002）。目前，工业和采矿区附近的水体中重金属污染已经超过了相关国际标准，因此有效治理此类污染成为当务之急。
Cd(II)是最具致癌性的重金属，其分解周期长且迁移性强。Cd(II)废水会对经济作物的正常生长和发育产生严重影响，极大地损害作物的生长和产量。长期食用在Cd(II)污染区种植的蔬菜可能导致人体多个器官出现病理变化，包括心血管和脑血管疾病以及肾脏毒性[6],[7],[8],[9]。废水中的Pb(II)会通过改变细胞膜结构和脂质膜通透性来损害植物细胞[9]。Cr(VI)的致畸性和持久性会破坏动植物细胞的线粒体膜结构[10]。
目前处理重金属污染水体的主要技术包括电化学处理、离子交换或化学沉淀工艺。然而，这些方法存在能耗高、产生二次污染或不适用于低浓度废水等缺点[11],[12]。生物质气凝胶以农业和林业废弃物为原料，实现了低成本资源的增值利用。这类气凝胶成本低廉、操作简便，能够选择性吸附目标重金属，从而避免了生物炭和黏土等传统吸附剂的缺陷，如再生性能差和选择性低[13],[14]。
生物质气凝胶是一种天然可再生且完全可生物降解的绿色资源。纤维素含有丰富的官能团，如羟基和羧基。通过材料改性，可以接枝氨基和巯基等官能团，以增强纤维素对重金属的结合能力[15]。改性生物质气凝胶通过表面拟合、螯合作用和静电相互作用等机制，能够从水中吸附重金属污染物[16]。含有醛基或羧基的氧化纤维素材料受到了广泛研究，因为含氧基团可以为金属离子提供配位位点。此外，氨基化纤维素吸附剂由于氮基团对重金属的强配位能力而表现出更强的吸附性能。最近，巯基化纤维素材料受到了广泛关注，因为含硫基团通过金属-硫配位作用对软金属离子具有很强的亲和力[17]。由于生物质气凝胶具有高比表面积、高孔隙率和网络结构，因此在从水中捕获重金属方面具有优势，并便于回收[18]。先前的研究表明，功能化纤维素气凝胶可以通过表面拟合、静电吸引、离子交换和螯合作用等协同机制有效去除重金属[19]。然而，大多数报道的纤维素基吸附剂仅专注于单一金属的吸附，而实际废水往往含有多种具有竞争吸附行为的重金属。因此，开发能够同时去除Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)的多功能纤维素气凝胶是非常重要的。
本研究以α-木纤维素为原料，通过化学改性制备了具有层次状泡沫状片状结构的气凝胶（图1）。研究了这些气凝胶对Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)的吸附性能，并系统分析了其表面形态、结构、化学性质以及吸附机制。这项研究为工业三废排放处理中去除Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)提供了一种绿色可持续的生物质基材料。
章节摘录
材料
过氧化物钠、α-纤维素、乙二醇、L-半胱氨酸以及Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)的单元素标准溶液均购自中国上海的Macklin Biochemical Co., Ltd。所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化。
甲醛化纤维素气凝胶的制备
将6.0克过氧化物钠溶解在200毫升去离子水中，然后将3.0克α-纤维素完全浸入溶液中。将混合物在40°C的水浴中加热8小时，随后加入5毫升乙二醇
改性气凝胶的特性
结论
本研究成功制备了一种基于α-纤维素的层次状泡沫状气凝胶吸附系统。通过醛基化和巯基接枝的双重改性，提高了对Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)的去除能力。ACK和BCK均保持了纤维素I的晶体结构和三维多孔网络，表明改性过程未破坏原始骨架结构。BCK显示出增强的
CRediT作者贡献声明
王景民： 数据整理。张晓涛： 监督。王斌：写作——审稿与编辑，初稿撰写。何婷： 监督。肖军江： 实验研究
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
