利用藻类基静电纺纳米纤维可持续去除微量镉：从间歇吸附到连续流动

《Algal Research》：Sustainable removal of trace cadmium using algae-based electrospun nanofibers: from batch sorption to continuous flow

　　

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  将C. barbata纳入PAN纳米纤维提高了PAN纳米纤维的可生物降解性。
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  在环境相关的痕量浓度（50–$100\mathrm{\mu }\mathrm{g}$ L^?1）下实现了高效的Cd(II)去除。
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  在优化的间歇条件下获得的最大吸附容量为$105.51\mathrm{\mu }\mathrm{g}$ g^?1。
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  连续流柱实验证实了高达98.42%的动态去除效率。
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  吸附剂表现出优异的可重复使用性、机械稳定性和增强的可生物降解性。

引言

镉（Cd）是一种有毒的重金属，对环境和人类健康构成严重风险。它通过火山喷发和森林火灾等自然过程以及施肥、采矿和各种工业过程等人为活动释放到环境中[1]。镉可通过吸入、皮肤接触或摄入进入人体，即使低剂量暴露也可能导致骨质流失、内分泌失衡、免疫障碍以及肺癌和前列腺癌[1]。为保护公众健康，世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）分别将饮用水中Cd(II)的最大浓度设定为1和$5\mathrm{\mu }\mathrm{g}$ L^?1。

多种处理方法，如电化学还原、离子交换、膜过滤和沉淀法，被用于实现监管限值。然而，这些方法往往存在成本高、效率低、产生污泥和二次污染等问题。因此，吸附法凭借其简单性、高效性以及多样的吸附剂来源，成为一种有前景的替代方案[2]。多种材料，包括活性炭、沸石、黏土、二氧化硅、壳聚糖、纳米结构材料和生物吸附剂（真菌、酵母、细菌和藻类），已被用于重金属去除的研究[3]。吸附剂的选择受多种参数的强烈影响，包括成本、比表面积、孔隙率、官能团的性质和分布以及整体极性[4]。在此背景下，藻类凭借其天然丰富、成本低廉和环境兼容性，作为高效生物吸附剂引起了广泛关注。此外，它们的细胞壁富含生物活性化合物，包括多糖、蛋白质、脂质、酶、矿物质和维生素。这些化合物提供了官能团（如羟基、羧基、氨基和硫酸基），有助于高效的金属结合[5]。褐藻尤为有利，因为它们的细胞壁含有藻酸盐和硫酸化多糖。Cystoseira barbata是土耳其海岸常见的一种褐藻，含有岩藻糖醇、硫酸化多糖、藻酸盐和酚类化合物，使其成为重金属去除的有前景的候选材料。

静电纺丝为制造具有增强效率、比表面积和机械强度的纳米纤维吸附剂提供了理想的平台，有助于改善重金属去除效果。静电纺丝制备的纤维直径从几纳米到几微米不等，具有高表面体积比、高孔隙率和小孔径、可调直径以及灵活的表面官能团[6]。这些特性提供了优异的吸附性能，因为重金属离子主要通过静电相互作用、离子交换和表面络合去除[7]。因此，含有官能团（如氨基、羟基、羧基和巯基）的聚合物静电纺丝纤维表现出对重金属增强的吸附亲和力。在这些聚合物中，聚丙烯腈（PAN）因其优异的热稳定性、化学惰性、半结晶结构和高拉伸强度，在水处理领域引起了广泛关注。此外，PAN纳米纤维表面的官能团修饰进一步提高了其在这些应用中的有效性[8]。文献中，静电纺丝PAN纳米纤维包括氨基化、磷酸化和其他改性形式，已被广泛应用于去除各种重金属离子，如Ag(I)、Fe(II)、Pb(II)、U(VI)、Cu(II)、Ni(II)、Cd(II)和Th(IV)，显示出显著的吸附容量[9]，[10]，[11]，[12]。

尽管静电纺丝纳米纤维在重金属去除方面表现出令人鼓舞的性能，但仍存在几个重要挑战。大多数先前的研究集中在化学改性的合成纳米纤维和相对较高的金属浓度上，而使用可持续生物质基吸附剂在环境相关的痕量浓度下进行Cd(II)去除的研究则关注有限。此外，藻类基静电纺丝纳米纤维的可生物降解性、可重复使用性和连续流性能很少被研究。我们之前的研究表明，将C. barbata纳入静电纺丝PAN纳米纤维增强了Pb(II)的吸附[13]；然而，其在Cd(II)去除中的适用性以及长期环境性能仍未被探索。

本研究的创新之处在于全面评估了可生物降解的C. barbata/PAN纳米纤维在间歇和连续流条件下痕量Cd(II)去除的效果。除了研究操作参数、吸附动力学、平衡等温线和热力学外，本研究还评估了吸附剂的可生物降解性、可重复使用性、选择性和吸附后的结构变化，以全面评估吸附剂的性能。

章节摘要

化学试剂

氯化镉一水合物（CdCl₂，CAS号35658-65-2）购自法国Carlo Erba公司。聚丙烯腈（PAN，M${}_{\mathit{w}}$ = 150,000 g mol^?1，CAS号25014-41-9）和N, N-二甲基甲酰胺（DMF，CAS号68-12-2，$\ge$99%）购自德国Sigma-Aldrich公司。硝酸（HNO₃，CAS号7697-37-2，64%–66%）购自德国Sigma-Aldrich公司。氨水（NH₃，CAS号1336-21-6，25%）由德国Merck公司提供。所有试剂均为分析纯，所有水溶液均为

土壤埋藏生物降解

合成聚合物是用途广泛、商业可获得且耐用的材料，提供机械强度和结构支撑，但降解缓慢。相比之下，天然聚合物如纤维素、壳聚糖、多肽和明胶，以及藻类等生物质来源，提供了更环保的替代方案[23]，[24]。为提高可降解性，生物质添加剂或填充剂被掺入石油基合成聚合物和生物基聚合物中。

该

结论

本研究证明，C. barbata（5 wt%）/PAN纳米纤维是有效的吸附剂，可在间歇和连续流条件下去除环境相关痕量浓度下的Cd(II)。将C. barbata纳入不仅提高了PAN纳米纤维的可生物降解性，还引入了含氧和含硫官能团，增强了Cd(II)的吸附。在优化的间歇条件下，纳米纤维实现了最高的Cd(II)去除效率为

CRediT作者贡献声明

Fatma Rabia Karaduman：撰写——初稿，方法论，调查。Saniye Türk ?ulha：撰写——审阅与编辑，资源，概念设计。Nesrin Horzum：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，资源，方法论，概念设计。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

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