《Separation and Purification Technology》：Comparative performance and techno-economic evaluation of pristine and hybrid Sn- and Mg- based coagulants for the removal of Cr(VI) and fluoride ions
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水中氟离子（F?）与六价铬（Cr(VI)）的持续共存引发显著关注，凸显了对有效处理技术的需求。混凝技术推动了针对新型经济可行混凝剂的研究努力。本研究评估了一系列新型混凝剂，如无机SnCl?与MgO，以及基于壳聚糖（CS）、淀粉（ST）与聚乙烯醇（PVA）的杂化
水中氟离子（F?）与六价铬（Cr(VI)）的持续共存引发显著关注，凸显了对有效处理技术的需求。混凝技术推动了针对新型经济可行混凝剂的研究努力。本研究评估了一系列新型混凝剂，如无机SnCl?与MgO，以及基于壳聚糖（CS）、淀粉（ST）与聚乙烯醇（PVA）的杂化聚合物?金属体系（Sn、Mg或Sn/Mg），用于在单一与共存污染条件下对F?与Cr(VI)的比较去除。此外，工作纳入了经济评估，提供了整合处理效果与材料及运行费用的综合成本?性能分析。对于Cr(VI)去除，SnCl?在酸性条件（pH 5）下实现最高效率（99.8%），且生产成本低（�0.05/mL），使其成为成本?性能角度最有利的选项。CS@Sn在相同条件下也有效，但经济性较差（�0.14/mL）。相比之下，F?去除在pH 3（84.3%）下最优，其中ST@Mg结合了优异去除效率与最低生产成本（�0.04/mL），凸显其作为经济高效混凝剂的适用性。该集成框架实现了机理区分，并识别出最有效且在经济上可行的混凝剂。
该研究针对水中氟离子（F?）与六价铬（Cr(VI)）共存污染问题，指出传统金属盐混凝剂在性能与经济性上存在局限，且缺乏对原始金属混凝剂与聚合物改性对应物在同等条件下的系统比较及综合技术经济评估。为此，研究人员系统评价了原始与聚合物改性的锡（Sn）基和镁（Mg）基混凝剂在单一与二元污染物体系中对Cr(VI)与F?的去除性能，并整合生产成本进行技术经济分析，以明确聚合物?金属相互作用对性能与经济可行性的影响，建立统一实验平台下的比较框架，相关成果发表于《Separation and Purification Technology》。
为开展研究，研究人员主要采用以下关键技术方法：制备初始金属溶液与聚合物溶液，按固定质量比合成Sn基、Mg基及Sn/Mg基杂化混凝剂；通过Jar?test批次混凝/絮凝实验，在控制pH、剂量与初始浓度条件下评价去除性能；采用1,5?二苯卡巴肼（DPC）分光光度法测定残余Cr(VI)浓度，采用SPADNS分光光度法测定残余F?浓度，并以总铬（CrT）石墨炉原子吸收光谱法作补充；依据Langmuir与Freundlich等温模型对平衡数据进行拟合分析；基于总拥有成本（TCO）框架与作业成本法（ABC）原则，从原材料、能源、人工、维护与折旧方面估算合成过程成本，开展实验室尺度技术经济评价。
3.1. Coagulant comparison and impact of pH
研究人员通过在pH 3、5、7、9条件下测试各类混凝剂，发现Cr(VI)去除强烈依赖pH且其形态随pH变化。SnCl?在pH 5时达99.8%的最高去除率，优于其他混凝剂，归因于四价Sn(IV)的高电荷中和能力与酸性条件下HCrO??主导形态间的静电作用。Sn基杂化混凝剂（CS@Sn、ST@Sn）在宽pH范围内保持82%至98%的高效，而Mg基与聚合物原始材料对Cr(VI)效果有限且受pH影响大。对于F?去除，整体受pH影响较Cr(VI)小，但在pH 3时ST@Mg达84.3%的最高去除率，PVA@Sn在pH 3亦达约82%；Mg基杂化材料在pH 3–9间保持70%–85%，主要通过电荷中和、络合与离子交换作用；结果表明聚合物引入对Mg基体系提升F?去除明显，而对Sn基体系Cr(VI)去除未超越原始SnCl?，显示杂化效应具金属与目标污染物依赖性。
3.1.1. Effect on chromium removal
研究人员通过分析不同体系在不同pH下Cr(VI)去除效率得出，原始聚合物（CS、ST、PVA）在pH 9时仅约55%–65%，且波动大；SnCl?在各pH均接近99.8%；Sn基杂化中CS@Sn与ST@Sn在pH 9仍达82%–98%，PVA@Sn为73%–75%；Sn/Mg双金属体系表现中等，表明Mg的引入未增强反而削弱Sn的效果；Mg基杂化与聚合物体系在中性与碱性下效果不佳。结论为酸性至中性条件下Sn基体系（尤其是SnCl?、CS@Sn、ST@Sn）对Cr(VI)去除最具一致性与高效性。
3.1.2. Effect on fluoride removal
研究人员在同样pH序列下评价F?去除，发现原始聚合物在pH 3–9间为68%–75%；Sn基杂化（CS@Sn、ST@Sn、PVA@Sn）为70%–75%，PVA@Sn在pH 3最佳约75%；Mg基杂化中ST@Mg在pH 3达约85%，CS@Mg与PVA@Mg为70%–80%；Sn/Mg杂化中PVA@Sn/Mg在pH 3约70%–80%。结论为F?去除在酸性条件略优，ST@Mg综合效率与成本表现最佳，Mg基杂化通过Mg–OH配体交换与表面络合实现稳定去除，且聚合物基质种类显著影响性能。
3.2. Effect of dosage
研究人员在优化pH下改变混凝剂剂量（10–80 mg/L），发现Cr(VI)去除随Sn基体系（SnCl?、CS@Sn、ST@Sn、PVA@Sn）剂量增加由低剂量受限升至80 mg/L时近100%，50–80 mg/L间趋饱和；F?去除随Mg基杂化（CS@Mg、ST@Mg、PVA@Mg）剂量由10 mg/L时65%–78%升至80 mg/L时80%–90%，ST@Mg始终最高，超过50–80 mg/L后趋平台。结论为Sn基体系在中度剂量下可实现近完全Cr(VI)去除，Mg基杂化对F?去除呈剂量依赖且ST@Mg最优。
3.2. Effect of initial concentration
研究人员在固定剂量50 mg/L下改变初始污染物浓度（2–100 mg/L），发现Cr(VI)在低初始浓度2–5 mg/L时被SnCl?与CS@Sn近完全去除（～100%），升至10–50 mg/L时下降，100 mg/L时降至35%–45%，归因于活性位点饱和与传质限制；F?去除随初始浓度增加由ST@Mg与PVA@Mg逐步下降，ST@Mg始终高于PVA@Mg。等温拟合显示Cr(VI)更符合Langmuir模型（SnCl?最大容量298.7 mg/g，CS@Sn 264.6 mg/g），F?更符合Freundlich模型（ST@Mg 80.36 mg/g，PVA@Mg 67.96 mg/g）。结论为初始浓度升高会降低百分比去除，Cr(VI)表现为均相单层覆盖特征，F?表现为异质多层交互特征。
3.3. Mix solutions
研究人员在单一与二元体系（Cr(VI)+F?）于pH 5下比较，发现CS@Sn在单一体系中Cr(VI)去除～98%，二元中降至～50%，F?由～72%降至～38%，显示强竞争；ST@Mg中Cr(VI)由～30%升至～50%，F?由～84%降至～32%，表明F?竞争占据Mg–OH位点，但F?存在可能改变Mg水解与絮体结构从而轻微提升Cr(VI)去除。结论为共存阴离子引入显著竞争，F?去除对竞争更敏感，Sn基体系Cr(VI)去除仍较稳健，需在多元污染实际条件下评价混凝剂。
3.4. Economic analysis
研究人员基于TCO/ABC框架对SnCl?、CS@Sn、ST@Mg、PVA@Mg合成成本分析，发现原材料成本为最主要驱动，CS@Sn中原料占超65%，总合成成本CS@Sn最高（～�0.14/mL），SnCl?为�0.05/mL，ST@Mg最低（�0.04/mL）；人工成本次之，维护与折旧占比小。与文献常规混凝剂市价相比，实验室尺度TCO估算含更广成本项。结论为SnCl?对Cr(VI)具最佳成本?性能比，ST@Mg对F?去除兼具效率与最低成本，杂化体系性能有提升但成本更高，原始与单一金属杂化在某些目标污染物上仍具经济优势。
3.5. Environmental safety
研究人员讨论指出，传统铝铁基混凝剂产泥量大且可能有生态毒性，Mg基污泥具较好脱水性与碱度，可用于稳定化与潜在回收；SnCl?污泥脱水性好且Sn可回收（约99%）；天然植物基混凝剂产泥少且可生物降解；但目前Sn污泥环境归趋与生态毒理认知仍有限。结论为Mg基与Sn基体系在污泥管理与资源回收上有潜在环境优势，但需进一步研究Sn污泥长期影响。
研究人员在结论部分指出，该研究系统比较了原始与聚合物改性Sn和Mg基混凝剂对Cr(VI)与F?的去除并整合成本?性能评估。结果显示聚合物引入效应依赖于金属前体与目标污染物：原始SnCl?对Cr(VI)去除最有效（99.8%，pH 5），而聚合物改性显著提升Mg基体系对F?去除，ST@Mg与PVA@Mg分别达85%与83%（pH 3）；Sn/Mg双金属杂化提供一定平衡去除但未超越单一金属最优者；二元体系中F?去除受竞争影响更大，Cr(VI)在Sn基体系中仍较稳健。经济评估表明SnCl?对Cr(VI)具最优成本?性能（～�0.05/mL），ST@Mg对F?去除成本最低（～�0.04/mL）；杂化体系部分性能提升但合成成本更高。综合性能与经济效益分析确定Sn基体系最适合Cr(VI)去除，Mg基杂化最适合F?去除，为单一与共存污染物水处理选择经济高效混凝剂提供合理框架。
