综述:用于黄原酸盐修复的磁性吸附光催化剂:进展、机制及未来前景

时间:2026年2月4日
来源:Inorganic Chemistry Communications

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磁性吸附光催化剂在黄原酸盐光催化降解中的应用进展与挑战

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安贾利·拉吉(Anjali Raj)| A.R. 坦布卡尔(A.R. Tembhurkar)
博士研究生,印度马哈拉施特拉邦纳格浦尔维斯韦斯瓦拉亚国立理工学院(Visvesvaraya National Institute of Technology)土木工程系,邮编440010

摘要

光催化是一种用于降解矿物加工废水中黄原酸盐的新技术。光催化剂在降解过程中起着至关重要的作用。然而,裸露的光催化剂存在一些问题,如较大的带隙、团聚现象以及修复后难以从废水中分离,这些限制了其性能。为克服这些限制,研究人员致力于开发磁性吸附光催化剂(M-APh),通过将磁性材料整合到纳米光催化剂中并将其固定在特定载体上,利用吸附和光催化的协同作用来提高性能,并在外加磁场的作用下实现更简便的分离。研究人员还使用半导体材料制备光催化剂,以在可见光谱范围内提高黄原酸盐的降解效率。尽管M-APh在黄原酸盐降解方面表现出优异的性能和良好的可重复使用性,但目前相关文献仍然有限且分散。因此,本文批判性地回顾了M-APh在黄原酸盐降解应用方面的进展,包括其基本原理、合成方法、回收过程及可重复使用性,并探讨了未来研究的方向。

引言

黄原酸盐是矿物选矿过程中的主要试剂之一,用于通过去除杂质来分离有价值的矿石[1]、[2]。如果黄原酸盐残渣被排放到废水中,会对生态系统[3]和人类健康[4]造成危害。它会对人类和动物的神经系统和肝脏功能产生负面影响[2]。由于环境中重金属的相互作用产生的复杂污染物,黄原酸盐的毒性会进一步加剧,导致生物体内的酶活性受到抑制并引发基因突变[5]。除了直接的毒性作用外,黄原酸盐的衍生物也构成重大风险。其中,二硫化碳(CS₂)具有极高的毒性,即使在低浓度下也会导致水质恶化[6],并影响鱼类及其他水生生物的生长和繁殖[7]。此外,黄原酸盐在土壤中存在时,还可能分别抑制70%的酶活性和45%的微生物活性[4]。黄原酸盐的总体负面影响如图1所示。
据估计,到2025年,全球黄原酸盐的年使用量将超过37万吨[8]。作为采矿活动产生的主要污染物,黄原酸盐残渣的处理是一个重要问题。在现有的技术中,光催化因其可持续性、无二次污染性和无毒特性而成为最有效的降解方法[9]。在光催化过程中,光催化剂材料在高效降解目标污染物方面起着关键作用。在各种半导体材料中,TiO₂光催化剂因其无毒、经济且稳定性好而受到广泛研究。然而,由于带隙较大、可见光谱吸收能力有限以及纳米颗粒容易团聚等缺点,裸露的TiO₂催化剂的应用受到限制[10]。因此,需要对基于TiO₂的半导体光催化剂进行改性,以克服这些限制,从而实现高效降解。
研究人员尝试通过掺杂改性或构建异质结来扩展对可见光谱的吸收范围,并减少电子/空穴对的复合[11]。虽然这种改性在一定程度上提高了降解效率,但纳米颗粒的团聚及其非多孔性质导致光催化降解性能下降[12]。为解决这一问题,研究人员将这些半导体光催化剂固定在载体上,以实现吸附和光催化的协同作用,增强对目标污染物的吸附效果并抑制电子/空穴对的快速复合[13]。各种材料如粘土矿物[14]、石墨烯[15]、活性炭[10]和粉煤灰[16]被用作黄原酸盐降解的载体。这种固定方法在一定程度上降低了催化剂回收的难度,但纳米光催化剂的回收和可重复使用性仍然较为复杂[17]。
然而,废弃吸附剂/光催化剂的分离和回收仍然是一个重大挑战,因为这一过程耗时繁琐,若不及时处理会造成二次污染,若未能回收则会导致材料损失[18]。将磁性材料掺入吸附剂/光催化剂中后,可以利用外加磁场使其更容易、更快速地从悬浮液中分离出来。因此,磁性吸附光催化剂(M-APh)被视为一种高效的光催化降解材料,能够实现最大程度的污染物去除和回收,同时具备良好的可重复使用性。
关于M-APh在黄原酸盐去除中的应用,已有少量文献报道[17]、[18]、[19]、[20]。然而,仍需要系统地回顾相关文献,以指导未来研究人员开发新的M-APh配方,实现黄原酸盐的高效降解和纳米光催化剂的可回收性。本文旨在批判性地回顾M-APh在黄原酸盐光催化降解中的应用进展,帮助全面了解磁性材料的类型、合成方法、光催化降解过程中的行为及其可回收性,同时指出应用过程中可能面临的挑战,并为未来的研究指明方向。

研究方法

本综述的目的是批判性地评估磁性吸附光催化剂在黄原酸盐处理方面的研究进展及其未来前景。采用的研究方法包括:
(i) 通过Science Direct、Google Scholar和Scopus等数据库,利用“光催化”、“磁性纳米光催化剂”、“黄原酸盐降解”、“利用磁性吸附剂处理废水”等关键词,收集截至2025年的相关文献

光催化降解机制

光催化降解机制主要涉及半导体光催化剂在光照下的激发,从而产生电子/空穴对,进而驱动化学反应。这一过程主要取决于半导体的带隙和光源的能量水平[21]。半导体的带隙是指价带(VB)和导带(CB)之间的能量差。如果照射光源的能量高于半导体的带隙……

黄原酸盐光催化降解的进展

基于半导体的光催化技术因成本低、氧化还原能力强且无二次污染而成为降解黄原酸盐残渣的有前景的方法之一。在各种半导体中,TiO₂光催化剂因其这些优点而被广泛使用[24]。然而,其带隙较大(约3至3.2 eV[25]),且裸露的TiO₂光催化剂存在容易团聚等缺点

磁性材料在光催化中的作用

将磁性材料与半导体光催化剂结合后,可以通过外加磁场辅助分离来方便地回收催化剂[63]。除了有助于分离外,磁性材料还参与光催化降解过程,从而提高降解效率[64]。通常使用氧化铁和尖晶石铁氧体等材料为纳米光催化剂赋予磁性,以便于从溶液基质中分离

磁性吸附光催化剂(M-APh)的应用

光催化是高效降解多种污染物的有前景技术之一。然而,裸露的光催化剂的使用限制了降解效率。结合吸附和光催化作用可以提高污染物去除效率,同时加入磁性材料可增强整体反应效果,而不会改变光催化剂的组成[107]。磁性吸附光催化剂可用于处理多种污染物

挑战与未来展望

由于从溶液中分离光催化剂/吸附剂成为关键问题,磁性吸附光催化剂(M-APh)的应用变得越来越流行。然而,要改进整个过程仍需解决一些挑战,为未来的研究指明方向。主要关注点在于M-APh的选择和合成。材料合成成本与其降解性能之间需要找到平衡[57]。此外,还需要进一步研究磁性吸附光催化剂的改性方法

作者贡献声明

安贾利·拉吉(Anjali Raj): 负责撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析及概念框架构建。 A.R. 坦布卡尔(A.R. Tembhurkar): 负责审稿与编辑、指导工作、方法论设计、实验研究及概念框架构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者声明本项工作未获得任何财务支持。
安贾利·拉吉(Anjali Raj)是维斯韦斯瓦拉亚国立理工学院(Visvesvaraya National Institute of Technology)环境工程专业的博士研究生,在阿贾伊·R·坦布卡尔(Ajay R. Tembhurkar)博士的指导下进行研究。她的研究重点是光催化技术,特别是黄原酸盐的降解。

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