在当今社会，环境问题愈发受到人们的关注，废水污染尤其是重金属污染，就像隐藏在水体中的 “定时炸弹”，时刻威胁着人类健康和生态平衡。其中，铬（Cr）作为一种有害元素，以不同氧化态存在于自然界，六价铬（Cr (VI)）毒性高、迁移性强，极易穿透细胞膜，对人体和生态系统危害极大。目前处理废水中 Cr (VI) 的技术众多，如化学沉淀、离子交换、电化学、吸附和生物处理等，但多数存在成本高、吸附容量低等问题。与此同时，工业湿磷酸生产过程中产生的大量磷石膏（PG），长期堆放不仅占用大量土地，还对水生态系统和大气造成潜在威胁。尽管 PG 含有的磷酸基团能与重金属离子结合，但因其吸附容量有限，在废水处理中的应用受到极大限制。在此背景下，为了寻找一种高效、低成本且环保的废水处理方法，实现工业固废的资源化利用，研究人员开展了相关研究。最终研究成果发表在《Environmental Surfaces and Interfaces》上。
研究人员通过一系列实验，制备了单宁酸（TA）功能化的磷石膏（TA@PG）吸附剂，并对其进行了全面研究。研究过程中主要运用了扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）、X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、Zeta 电位分析、N2吸附 / 脱附等温线分析、吸附动力学、吸附等温线、吸附热力学实验以及 X 射线光电子能谱（XPS）分析等技术。
在吸附剂的表征方面：
- SEM 分析：结果显示，PG 呈现不规则板状形态，缺乏明显孔结构，表面粗糙且层状结构松散；而 TA@PG 则分散性更好，晶体表面更光滑、致密，表明 TA 对 PG 表面进行了有效改性。
- TGA 分析：当温度达到 300℃时，PG 和 TA@PG 均有一定质量损失，主要是因为 PG 中结晶水的去除。TA@PG 在 300℃时质量损失相对较高，说明 TA 的引入增加了其热敏感性。随着温度升高，TA@PG 因有机物热分解导致重量持续增加，间接反映出 TA 成功改性到 PG 表面。
- XRD 分析：PG 和 TA@PG 的主要衍射峰与 CaSO4·2H2O 标准图谱相符，且 PG 改性后主要衍射峰形状和位置基本不变，但特征峰强度略有下降，表明 TA 成功在 PG 表面改性。
- FT-IR 分析：在 TA@PG 的光谱中出现了苯环相关的振动吸收峰，证实了 TA 成功修饰在 PG 表面，同时 PG 的晶体结构基本保持完整。
- Zeta 电位分析：TA@PG 在低 pH 下带正电，其等电点（pHPZC）约为 2.34。当 pH<2.34 时，有利于吸附带负电的 Cr (VI)；当 pH>2.34 时，则产生排斥作用，由此确定最佳吸附 pH 为 2。
- N2吸附 / 脱附等温线分析：PG 和 TA@PG 的吸附等温线接近 III 型，孔径多在介孔范围内。TA@PG 的比表面积有所降低，可能是因为表面的 TA 阻碍了 N2分子进入某些孔隙。
在吸附性能研究方面：
- pH 的影响：研究发现，PG 对 Cr (VI) 的吸附性能在 pH 为 1 - 10 的范围内较差，而 TA@PG 在 pH = 2 时，对 Cr (VI) 的去除率高达 97.83%±0.36% 。随着 pH 升高，TA@PG 对 Cr (VI) 的去除率逐渐降低，这与 TA@PG 表面电荷和 Cr (VI) 离子态分布随 pH 变化有关。
- 吸附剂用量的影响：增加 TA@PG 用量，Cr (VI) 去除率迅速上升，达到一定量后趋于稳定，但单位吸附量下降。综合考虑成本和效率，确定 2mg 为最佳用量，此时对 Cr (VI) 的去除率可达 100%。
- 初始 Cr (VI) 浓度的影响：随着初始 Cr (VI) 浓度增加，PG 对 Cr (VI) 的去除率有一定变化，而 TA@PG 对 Cr (VI) 的去除效率逐渐下降，这可能是因为高初始离子浓度下吸附位点被占据和消耗。
- 吸附时间的影响：吸附时间对 PG 吸附 Cr (VI) 的效率影响较小，而 TA@PG 对 Cr (VI) 的去除效率在开始时显著增加，约 20min 达到平衡，此后增加吸附时间对去除效率影响不大，故确定 20min 为最佳吸附时间。
- 共存离子的影响：研究模拟实际废水中存在的阳离子（如 Cu2+、Zn2+、Fe3+ ）和阴离子（如 Cl-、NO2-、SO42- ）对 TA@PG 吸附 Cr (VI) 的影响。结果表明，共存离子会阻碍 Cr (VI) 的吸附，其中二价阴离子（如 SO42- ）和半径较大的阳离子（如 Cu2+、Zn2+、Fe3+ ）抑制作用更明显。
- 对其他重金属的吸附：实验还研究了 TA@PG 对其他常见重金属离子（如 Pb (II)、Cd (II)）的吸附性能。结果显示，TA@PG 对这些离子的吸附容量相比未改性的 PG 有显著提升，进一步证明了 TA@PG 在吸附多种重金属离子方面的优势。
在吸附机制研究方面：
- 吸附动力学：通过对 PG 和 TA@PG 进行吸附动力学实验，并采用伪一级、伪二级、颗粒内扩散和 Elovich 模型进行分析。结果表明，TA@PG 对 Cr (VI) 的吸附更符合伪二级动力学模型，说明化学吸附是吸附过程的限速步骤，且吸附速率受膜扩散影响更大。
- 吸附等温线：在不同温度下进行等温吸附实验，结果显示 TA@PG 的吸附容量明显优于 PG。Langmuir 模型对 TA@PG 吸附 Cr (VI) 的拟合效果最佳，表明 TA@PG 表面存在均匀且丰富的结合位点，其最大吸附容量可达 221.72mg・g−1 。同时，Temkin 模型分析也表明化学吸附是主要的吸附过程。
- 吸附热力学：对 TA@PG 吸附 Cr (VI) 进行热力学分析，结果显示 ΔG 为负值，表明吸附过程是自发的；ΔH 为正值，说明是吸热过程，温度升高有利于吸附；ΔS 为正值，意味着吸附体系固液界面的自由度增加，有序度减弱。
- XPS 分析：通过对 TA@PG 吸附 Cr (VI) 前后进行 XPS 分析，发现吸附后出现 Cr 2p 峰，证实了 Cr (VI) 的成功吸附。C1s 和 O1s 光谱的变化表明吸附过程中存在离子交换和络合作用，Cr (VI) 被还原为 Cr (III) 并与 TA@PG 表面的 - OH 基团形成络合物。
研究结论和讨论部分指出，本研究利用 TA 对固体废弃物 PG 进行功能化改性，制备出经济高效的 TA@PG 吸附剂，该吸附剂制备方法简单、成本低、环保且具有大规模生产的潜力。对 Cr (VI) 的吸附过程为单层吸附，是吸热且自发的过程，吸附机制包括静电作用、离子交换和络合作用。TA@PG 对 Cr (VI) 的吸附容量高达 221.72mg・g−1 ，在同类吸附剂中处于领先水平。该研究为工业固废 PG 的资源化利用开辟了新途径，实现了废弃物的回收利用和增值，对解决废水重金属污染问题以及推动可持续发展具有重要意义。同时，研究还对 TA@PG 吸附剂的再生性能进行了研究，发现经过 5 次吸附 - 解吸循环后，其对 Cr (VI) 的去除效率仍能保持在较高水平，进一步证明了该吸附剂的实用性和稳定性。在实际应用方面，研究人员还对方法的线性范围、检测限、定量限和重复性进行了评估，并对实际废水样品中 Cr (VI) 的测定进行了准确性和实用性验证，结果表明该方法适用于废水样品中 Cr (VI) 的测定。此外，与其他已报道的方法相比，TA@PG 吸附剂具有吸附容量高、制备方法简单、环保等优势，在废水处理领域具有广阔的应用前景。
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