一种新型的可持续且可回收的纳米生物吸附剂，由交叉填充的沸石与纳米生物炭和纤维素组成，能有效去除废水中的铅（II）

时间：2026年3月16日

来源：International Journal of Biological Macromolecules

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本研究开发了一种新型纳米生物吸附剂Zeol@Ox@CWNB@Ox@Cel，通过氧化铝交联剂优化其结构和功能，高效去除水体中铅离子。实验表明最佳pH为6.0，温度25.0℃，吸附剂对10.0 mg/L Pb(II)去除率达94.3%，且再生性能优异，循环五次后稳定性达92.9%。

Gehan M. Nabil|Raed H. Althomali|M. Elsyed

沙特阿拉伯阿尔-哈尔杰萨塔姆·本·阿卜杜勒阿齐兹大学科学与人文学院化学系，阿尔-哈尔杰，11942

摘要

由于铅污染物在水环境中具有生物累积性和不可生物降解性，已知它会对健康造成严重威胁。因此，有效去除废水中的Pb(II)污染物已成为一个备受关注的问题。为了解决这一问题，通过草酸（Ox）将沸石（Zeol）与卷心菜废弃物纳米生物炭（CWNB）和纤维素（Cel）交联，制备出了一种新型的Zeol@Ox@CWNB@Ox@Cel纳米生物吸附剂。利用多种仪器对其进行了全面表征，确认了其中所含的官能团（如C-H、O-H、C-O-C、C-O、Si-O和Al-O键），通过扫描电子显微镜（SEM）测定了颗粒大小（25至65纳米），并通过能量色散X射线光谱（EDX）分析了主要元素组成。研究了Zeol@Ox@CWNB@Ox@Cel吸附水环境中Pb(II)离子的能力，并确定了最佳条件：pH值为6.0、反应时间为60分钟、温度为25.0摄氏度时，使用10.0毫克/升的Pb(II)浓度可实现94.3%的去除率。多种动力学模型的评估表明，线性伪一级模型能够很好地拟合Pb(II)的去除过程。此外，Pb(II)的吸附行为符合朗缪尔吸附等温线方程，计算出的热力学参数表明该吸附过程为吸热且自发进行。该吸附剂可成功再生，连续使用五次后仍能保持92.9%的吸附效率。从受污染水中回收的Pb(II)含量证实了其优异的性能（82.9–88.5%）。总之，Zeol@Ox@CWNB@Ox@Cel是一种高效、低成本、可再生、可持续的优良材料，适用于水系统中Pb(II)的去除。

引言

废水中的重金属主要来源于电镀、电池制造、制革、染色等多种工业活动[1]、[2]。由于重金属离子在水中的高迁移性和溶解性，它们会在水中长期存在，从而对人类健康和生态系统造成危害[3]、[4]。铅是最危险的不可生物降解和易生物累积的重金属之一，其在水环境中的长期存在会导致多种疾病，如高血压以及肾脏、肝脏、大脑和神经系统的损伤[5]。因此，日益严重的铅污染问题亟需开发高效的技术来消除[6]。常用的废水处理方法包括沉淀、离子交换、吸附和生物吸附等。其中，使用多种吸附剂（包括纳米吸附剂和生物吸附剂）的吸附技术因其简单、低成本和高效而备受青睐[7]。选择合适的吸附剂时通常会考虑多个参数，如表面特性、功能性和选择性、可再生性、机械热化学稳定性以及成本效益[8]、[9]、[10]、[11]。最近的研究致力于通过结合有机和无机材料制备多种纳米复合材料[12]、[13]、[14]、[15]。沸石是一种广泛应用的无机材料，在吸附、催化和离子交换等领域表现出优异性能[16]。沸石具有三维结构的刚性晶体框架，由硅、铝和氧组成，形成了均匀的孔隙和通道网络，能够容纳水分子和可交换的阳离子（如钠、钾或钙）[17]、[18]。因此，沸石复合材料被开发为从水中去除Pb(II)等有毒重金属的有效吸附剂。例如，有一种经济高效的方法将H-STI沸石转化为MER沸石，该沸石在pH 3–8范围内对Cd(II)和Pb(II)的去除效率很高[19]。NaX沸石通过水热法在100摄氏度下处理24小时后可用于去除Pb(II)，去除效率达99%[20]。还合成了含有nZVI的改性沸石，研究了其在存在Al(III)阳离子条件下的Pb(II)吸附性能[21]。此外，还开发了其他沸石材料和复合材料用于去除水中的有毒重金属[22]、[23]、[24]。纤维素是最丰富的天然可生物降解且环保的聚合物材料，可通过木材和棉花等天然原料工业生产，也可由某些细菌生物合成。由于其广泛的可用性、可持续性和表面改性潜力，纤维素是水或废水净化领域的有前景的吸附剂[25]、[26]。最近，不同形式的纤维素（如叶片、茎、壳、根、果壳和种子等）被用作绿色吸附剂。天然和改性的纤维素吸附剂已被用于去除废水中的多种污染物，包括Pb(II)离子[27]。例如，使用环氧氯丙烷交联剂（CS@CE@ECH）制备的壳聚糖基纤维素珠子在优化条件下（pH 3、Pb(II)浓度50毫克/升、用量2.5克/升）可从水中去除Pb(II)，去除效率达55%[28]。一种由CMC和氨基纤维素与膨润土组成的复合水凝胶在最佳条件下可去除废水中的Pb(II)，最大去除量为110.64毫克/克[29]。另一种环保复合材料也用于从废水中去除多种有毒金属[31]、[32]、[33]。碳质材料（如生物炭）是一类富含碳、可持续、多孔且低成本的吸附剂[34]。这些材料通常通过热解、水热碳化和微波加热等技术从农业废弃物或工业副产品中制备[35]。近年来，多种废弃物被用于制备生物炭，包括木屑、动物粪便、海洋藻类和城市固体废物[36]。然而，原料的种类和性质显著影响生物炭的性能和应用[37]。卷心菜废弃物产量较大，可将其处理并回收利用，制成高价值的生物炭，用于废水处理等多种领域[38]、[39]。最近的研究表明，原始生物炭或其改性吸附剂在去除有毒重金属（包括铅离子）方面具有潜力[40]、[41]、[42]、[43]。废弃的卷心菜废弃物占总重量的30%至50%，主要由外叶、茎和受损部分组成，可简单处理后制成低成本生物炭用于水处理。本研究创新之处在于设计了一种新型的、可持续的、可再生的多功能纳米生物吸附剂（Zeol@Ox@CWNB@Ox@Cel），通过沸石（多孔材料）与纤维素（可生物降解聚合物）和卷心菜废弃物纳米生物炭的交联反应制备，有效去除废水中的Pb(II)污染物。草酸作为高效的交联剂，具有优异的螯合作用。所制备的纳米生物吸附剂通过多种表面和化学分析方法进行了表征，验证了其活性表面特性和形态特征（如颗粒形状、大小、孔隙率和比表面积）。在不同实验参数（如pH值、时间、质量、浓度、温度和离子强度等）下，研究了Zeol@Ox@CWNB@Ox@Cel对水中Pb(II)污染物的吸附性能，并通过动力学、等温线和热力学研究得出了控制机制。最后，还研究了该吸附剂在去除Pb(II)后的再生能力，以评估其作为未来水处理过程中经济材料的潜力。

化学物质、材料与仪器

所用化学品包括沸石粉（Na）、纤维素、草酸、氢氧化钠和盐酸，均来自Aldrich Chemical Company，纯度很高。使用1000毫克/升的Pb(II)溶液制备目标浓度（1.0–100毫克/升）的溶液，并通过添加NaOH或HCl（0.01摩尔/升）调节pH值至选定范围（1.0–7.0）。所用仪器详见表S1（补充材料）。

Zeol@Ox@CWNB@Ox@Cel纳米生物吸附剂的制备

第一步是

Zeol@Ox@CWNB@Ox@Cel的表征

草酸是一种有效的环保交联剂，可通过热酯化反应增强复合材料的机械强度和生物降解性。其主要作用是作为高效交联剂，实现沸石、CWNB和Cel三种成分的共价结合。此外，草酸还具有优异的螯合作用

结论

通过草酸将沸石与纤维素和卷心菜废弃物纳米生物炭交联，制备出了一种新型的Zeol@Ox@CWNB@Ox@Cel纳米生物吸附剂。研究了其中含有的多种官能团（如C-H、O-H、C-O-C、C-O、Si-O和Al-O键），这些官能团与吸附剂的组成单元密切相关。SEM分析显示颗粒大小范围为25–65纳米，EDX分析表明氧（48.3%）和碳（34.5%）是其主要成分。