利用氧化铁黑制备磁性壳聚糖纳米颗粒，对其性能进行表征，并研究这些纳米颗粒对废水中的Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)和Cu(II)离子的高效吸附作用

时间：2026年3月13日

来源：Polyhedron

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磁性壳聚糖纳米颗粒与铁黑生物吸附剂协同吸附Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)、Cu(II)离子，通过伏安法测定吸附效率，FESEM、HRTEM等表征证实材料形貌及铁氧化物黑负载特性，Langmuir等温线显示最大吸附容量587.69 mg/g，pH 6.5时吸附效率最佳，机制为配位-吸附复合作用，证实该材料高效环保且可重复利用。

哈里·莫汉·米纳（Hari Mohan Meena）| 斯里坎特·库克雷蒂（Shrikant Kukreti）| 皮亚尔·辛格·贾萨尔（Pyar Singh Jassal）

德里大学汉斯拉杰学院（Hansraj College, University of Delhi）化学系，印度德里110007

摘要

本研究聚焦于使用不同量的新型磁性壳聚糖纳米颗粒与氧化铁黑生物吸附剂结合，从废水中吸附Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)和Cu(II)离子。金属离子的检测采用797 VA伏安滴定量分析方法。磁性纳米颗粒通过多种技术进行了表征，包括场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能量色散X射线光谱（EDAX）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、振动光谱仪（VSM）、X射线衍射（XRD）、动态光散射（DLS）分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及紫外-可见光谱（UV–Visible）。同时，还进行了批次分析，以研究吸附剂用量、初始金属离子浓度、pH值和温度等因素对重金属吸附的影响。研究内容涵盖了吸附动力学和吸附等温线分析。Langmuir等温线图完全展示了吸附结果，表明该吸附剂的最大吸附容量为587.69 mg/g。实验结果表明，当金属离子浓度达到250 mg/L时，吸附效果显著增强。磁性壳聚糖纳米材料主要通过配位-吸附机制实现吸附，在pH值为6.5时达到最大吸附容量。本研究还分析了BET吸附-解吸等温线，并评估了吸附剂的吸附性能。因此，这些新型磁性壳聚糖纳米颗粒是去除受污染水中重金属的有效生物吸附剂。

引言

壳聚糖是一种阳离子多糖，其大分子结构由D-葡萄糖胺重复单元组成。[1]该化合物可通过壳聚糖的部分脱乙酰化制备获得，而壳聚糖在自然界中的含量仅次于纤维素。[2]N-乙酰-D-葡萄糖胺聚合物存在于多种真核生物中，如甲壳类动物、昆虫和真菌。[3]众所周知，重金属离子因其毒性和不可生物降解性对生态系统和公共健康构成重大威胁。[4]吸附法已被用于去除废水中的重金属离子（Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)和Cu(II)。[5]因此，从废水中去除这些有毒金属离子具有重要意义。[6]在本研究中，合成了含有氧化铁黑的磁性壳聚糖纳米颗粒，并对其进行了表征，随后将其用于从水溶液中去除金属物质。[7]近期，研究人员采用氧化铁黑纳米颗粒与壳聚糖作为离子交换基团，合成了新型磁性壳聚糖纳米吸附剂。[8]大多数基于壳聚糖的吸附剂具有亚微米到微米级别的尺寸，需要较大的内部孔隙度以提供足够的吸附表面积。然而，颗粒内部的扩散限制会降低吸附速率和总体吸附容量。[9]这种磁性吸附剂具有优异的兼容性、经济性、高效的提取和再生能力以及便捷的操作性，使其在金属去除领域具有潜在应用价值。[10]由于吸附过程具有环境友好、高效、可逆、经济可行和操作简便等优点，已被广泛认可为有效方法。本研究通过将壳聚糖与氧化铁黑纳米颗粒结合，制备了一种新型纳米吸附剂。[11]研究重点考察了吸附等温线的吸附能力和吸附动力学，分析了吸附剂用量、金属离子浓度、pH值和温度对Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)和Cu(II)吸附的影响，以及磁性壳聚糖纳米颗粒的重复使用性和吸附机制。此外，还评估了该吸附剂去除废水中有害金属的能力。[12]通常使用戊二醛或环氧氯丙烷等物质来提高壳聚糖的耐酸性，这可以减缓其在酸性废水中的水解过程，但同时会去除促进金属离子螯合的胺基团，从而可能降低吸附能力。磁性壳聚糖纳米颗粒因能有效解决“吸附容量恢复悖论”问题而具有优越性，且小颗粒尺寸有利于化学相互作用。[13]

材料

本研究中使用的壳聚糖来自虾壳，脱乙酰化程度≥75%。壳聚糖的分子量介于100 kDa至1200 kDa之间，具体取决于合成工艺和产品质量。壳聚糖购自Sigma-Aldrich公司。[14]FeCl₂和FeCl₃购自Fisher Scientific公司。溶液制备过程中使用了双蒸馏水，其他试剂均为分析级纯度。

形态学表征

场发射扫描电子显微镜（FESEM）技术可在10×至300,000×的放大倍数下提供地形和元素信息，具有几乎无限的深度分辨率。[28]FESEM是一种广泛应用于科学领域的强大成像技术。图2展示了利用适合特定能量范围的电子加速电压来研究污染区域的能力。

结论

磁性氧化铁黑壳聚糖纳米颗粒的合成涉及将壳聚糖结合到氧化铁黑纳米颗粒表面。研究表明，壳聚糖在纳米颗粒制备及磁性纳米颗粒生成过程中表现出显著效果。本研究采用离子凝胶化法合成了磁性壳聚糖纳米颗粒。吸附平衡数据表明，Langmuir等温线模型拟合良好，显示出最大吸附容量。

CRediT作者贡献声明

哈里·莫汉·米纳（Hari Mohan Meena）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、项目管理、方法设计、实验实施、资金申请、数据分析、概念构思。斯里坎特·库克雷蒂（Shrikant Kukreti）：结果验证、实验监督。皮亚尔·辛格·贾萨尔（Pyar Singh Jassal）：数据可视化、软件处理。