将废弃玉米穗可持续地转化为AgNP–水碳纳米复合材料，用于高效治理铬污染

《Chemical Engineering Research and Design》：Sustainable valorization of waste corn cobs into AgNP–hydrochar nanocomposites for high-efficiency chromium remediation

　　摘要
六价铬（Cr(VI)）是一种具有高毒性和移动性的污染物，常见于工业废水中。本研究开发了一种可持续的AgNP-水碳纳米复合材料，作为一种多功能AgNP支撑的水碳材料，用于高效去除水溶液中的Cr(VI)。生物质衍生的水碳是通过在240℃下进行1小时的水热碳化从废弃玉米叶纤维中合成的，产率达到了47.9%的固体产物。银纳米粒子采用核桃废弃物提取物（WS）通过绿色合成方法制备，并将其固定在水碳（CCH）表面，以增强分散性和稳定性。在最佳条件下（pH值为3.00、材料浓度为1克/升、处理时间为60分钟、Cr(VI)浓度为10毫克/升），Cr(VI)的去除效率达到了97.55%，这一结果通过水溶液中Cr(VI)浓度的降低得以验证。即使在第五次循环使用后，生成AgNPs的可重复使用性仍保持在88%以上。本研究全面评估了该材料的微生物活性和生物潜力。与原始CCH相比，CCH+AgNPs表现出更强的抗氧化活性（在100毫克/升浓度下对DPPH的清除率高达79.36%），并且能够有效断裂所有测试浓度下的质粒DNA，显示出强大的遗传物质破坏潜力。微生物活性测试还显示了增强的抗菌性能，对于金黄色葡萄球菌（S. aureus）、铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）、白色念珠菌（C. albicans）和光滑念珠菌（C. glabrata）等目标病原体的最小抑制浓度（MIC）降低到了128–256毫克/升。此外，该复合材料能有效破坏细菌生物膜，在100毫克/升浓度下对金黄色葡萄球菌的抑制率达到71.18%，对铜绿假单胞菌的抑制率为58.93%，同时对大肠杆菌（E. coli）细胞的存活也显示出显著的抑制效果（50毫克/陆时抑制率为79.65%）。这项工作展示了一种环保且经济高效的方法来治理铬污染，同时促进了农业废弃物的价值转化和可持续纳米技术在水处理应用中的发展。

引言
含有有毒重金属的工业废水是全球水污染的主要来源之一。快速的工业化、城市化和制造业的发展显著增加了金属污染废水的排放量，对水生生态系统和人类健康构成了严重威胁。在这些污染物中，六价铬（Cr(VI)因其广泛用于电镀、皮革鞣制、纺织染色和金属加工而被认为是一种毒性最强且环境持久性最高的重金属（Gonfa等人，2025年；Tagesse和Haile，2021年）。Cr(VI)的高溶解性、移动性和氧化性质使其容易在土壤和水环境中传播，增加了地下水污染的风险。此外，Cr(VI)能够轻易穿透生物膜，引发氧化应激、DNA损伤和严重的细胞功能障碍，长期暴露后可能导致致癌和致突变效应以及生态失衡（Rizki等人，2023年；Vidyasagar等人，2023年；Eker等人，2025年）。因此，开发高效且可持续的Cr(VI)去除技术成为了重要的环境优先事项。

已经采用了多种物理化学技术来处理Cr(VI)，包括化学沉淀、离子交换、膜过滤和电化学过程。尽管这些技术在受控条件下可以实现令人满意的去除效率，但实际应用时常受到高运营成本、复杂处理程序、二次废物产生以及在低污染物浓度下效果下降的限制（Gonfa等人，2025年；Tagesse和Haile，2021年）。这些局限性激发了人们对结合高效性、操作简便性、经济可行性和环境可持续性的替代处理策略的兴趣。在各种处理方法中，吸附因其操作简便性、适应性强和成本效益高而被认为是最有效和广泛采用的方法之一（Crini和Lichtfouse，2019年；Ahmed等人，2022年）。然而，传统吸附剂通常具有有限的吸附容量、在复杂废水基质中的选择性较差，并且再生和重复使用存在困难，这限制了它们的长期实际应用（Satyam和Patra，2024年）。因此，大量研究集中在开发同时具备高吸附容量、结构稳定性和可重复使用性的多功能吸附材料上。

纳米技术的最新进展通过开发具有高比表面积、增强表面反应性和可调物理化学性质的纳米材料，显著改善了基于吸附的水处理系统（Edebali和Kahraman，2016年；Vidyasagar等人，2023年）。其中，银纳米粒子（AgNPs）因其显著的催化活性和多功能行为而受到特别关注。在Cr(VI)去除方面，AgNPs由于其高表面反应性和催化性能而备受瞩目。先前的研究表明，在适当的反应条件下，AgNP支撑的材料可同时促进Cr(VI)的吸附和催化还原。然而，这些机制的相对贡献取决于材料特性和实验条件，通常需要通过铬形态分析来直接验证（Gonfa等人，2025年；Rizki等人，2023年；Eker等人，2025年）。尽管有这些优点，未经支撑的AgNPs的实际应用仍受到颗粒团聚、胶体稳定性降低以及纳米粒子回收和重复使用困难的限制。为了克服这些挑战，越来越多的研究将AgNPs固定在多孔碳质载体材料上。这种混合系统结合了碳材料的高吸附容量和丰富的表面功能性与AgNPs的催化还原能力，从而在之前的研究中报道了协同的吸附和潜在的催化转化机制，提高了Cr(VI)的去除效率，同时改善了纳米粒子的稳定性、分散性和可重复使用性（Gonfa等人，2025年；Vidyasagar等人，2023年；Yabalak等人，2025年）。

在本研究选用的生物质衍生碳质材料中，废弃玉米芯因其大量产生且通常被丢弃或露天燃烧而受到关注，它们富含纤维素、半纤维素和木质素，是制备功能性碳材料的理想原料。将其转化为水碳不仅实现了农业废弃物的价值转化，还获得了一种具有优良物理化学性质的可再生载体，适用于AgNP的固定和Cr(VI)的吸附（Haris等人，2024年；Edebali和Kahraman，2016年；Yabalak等人，2025年）。除了选择合适的载体外，AgNPs的合成方法对于可持续的水处理应用同样重要。传统制备方法常使用有害的还原剂和有机溶剂，而利用植物提取物的绿色合成方法提供了一种环保的选择，在温和的反应条件下，天然存在的植物化学物质同时起到还原剂和稳定剂的作用（Eker等人，2025年；Vidyasagar等人，2023年）。这种方法提高了纳米粒子生产的环境 Compatibility，同时也增强了生物质衍生载体的可持续性。

尽管生物质衍生碳材料和AgNPs单独使用时已显示出在重金属去除方面的良好性能，但很少有研究关注将绿色合成的AgNPs与农业废弃物衍生的水碳结合，以利用它们的吸附性能和AgNP支撑材料所报道的催化性能来共同去除Cr(VI)。因此，本研究开发了一种可持续的AgNP支撑的水碳纳米复合材料用于Cr(VI)的治理。使用废弃玉米芯纤维制备的水碳（CCH）作为可再生载体基质，而银纳米粒子则通过绿色路线使用核桃废弃物提取物（WW）合成，随后固定在水碳表面。所得的CCH+AgNPs纳米复合材料旨在结合水碳的吸附能力和AgNP支撑材料通常具有的催化性能，从而提高Cr(VI)的去除效率，同时改善纳米粒子的稳定性和可重复使用性。通过结合农业废弃物的价值转化和绿色纳米技术，这项工作为开发环保且经济高效的水处理材料做出了贡献。