来自可持续来源的固定相：合成、表征及其在柱色谱法中用于去除重金属的应用

《Journal of the Indian Chemical Society》：Stationary Phases from Sustainable Sources: Synthesis, Characterization, and Application of Heavy Metal Removal in Column Chromatography.

茶渣衍生碳纳米粒子（CNPs）作为色谱柱固定相可有效去除Cd2?、Co2?、Ni2?，去除率高达99.99%。通过BET、FESEM、TEM和FTIR表征证实其高效吸附特性及异质表面相互作用，符合Freundlich等温模型（R2＞0.9987）。该材料经济环保，符合循环经济原则，为工业废水处理提供新方案。

瓦赫兰·M·萨奥德

伊拉克安巴尔大学科学学院化学系，拉马迪

摘要

经济型吸附剂（如碳纳米颗粒（CNPs）和活性炭）在水处理和环境修复中的有效性取决于它们吸附污染物的能力，包括潜在有害元素。高比表面积和增强的表面活性是某些纳米结构吸附剂的特征。该方法整合了二氧化硅和废物衍生碳纳米材料或活性炭等经济型材料，为工业废水处理和环境修复提供了有前景且可持续的解决方案，符合循环经济原则，并减少了对昂贵传统技术的依赖。本研究考察了从茶叶废弃物中提取的具有成本效益的碳纳米颗粒（CNPs）作为柱层析固定相在去除Cd²⁺、Co²⁺和Ni²⁺离子方面的应用。CNPs具有高效的吸附性能，这一点通过BET（比表面积≥100 m²/g）、FESEM（均匀球形）、TEM和FTIR（关键金属结合官能团）得到了证实。柱层析实验（柱高3cm，流速5mL/Sec，进水浓度10–50 μg/mL）显示出了出色的去除效率：所有金属的去除率均为97–99%，其中Ni²⁺和Co²⁺在30 μg/mL浓度下的去除率达到99.99%。尽管在这些条件下Cd²⁺的去除率最高为97.5%，但在流速升高（120 mL/Sec）时降至94.5%，这可能是由于接触时间减少所致。吸附数据最佳地用Freundlich等温线（R² > 0.9987，针对Cd²⁺）描述，表明表面相互作用是非均匀的，并且该数据优于Langmuir模型（R² ≈ 0.9895）。这些结果验证了从茶叶废弃物中提取的碳纳米颗粒是一种高效（>97%去除率）、可持续且可扩展的柱层析废水处理吸附材料。该方法提供了一种经济可行且环境可持续的替代方案，符合将废物转化为可修复材料的循环经济原则。

引言

水生系统中的重金属污染对人类和生态系统健康构成重大风险，因为这些金属具有固有的毒性、生物累积倾向和致癌潜力[1]。重金属主要通过采矿、电镀和电池制造等工业活动释放到废水中[2]、[3]。常用的去除废水中的Cd²⁺、Co²⁺和Ni²⁺离子的方法包括化学沉淀、离子交换和膜过滤；然而，这些方法存在操作成本高、在微量浓度下效率低以及二次污染风险等问题[4]。吸附技术作为一种有前景的替代方法，因其简单性、低成本以及使用低成本和可持续吸附剂时的高效率而受到关注[5]、[6]。最近的研究集中在开发来自农业废弃物、生物炭和功能化纳米材料的新吸附剂，以提高对Cd²⁺、Co²⁺和Ni²⁺离子的吸附能力和选择性[7]。柱层析是一种动态吸附技术，相比批次系统具有连续操作、可扩展性和更高的去除效率等优点[8]。多项研究探索了使用改性天然材料（如壳聚糖涂层二氧化硅[9]、生物炭[10]、白云石[11]和金属有机框架（MOFs）[7]）的应用。CNPs的有效性主要取决于前体材料的特性以及所采用的活化条件和制造技术[13]、[14]。利用低成本碳纳米颗粒去除废水中的重金属，类似于碳纳米管的结构（特别是磷化镓和氮化镓纳米管）在氘（重水）分离方面具有巨大潜力，因为它们具有较大的吸附能力和可调的表面特性[13]。

此外，还有研究关注用于吸附去除的纳米颗粒材料，包括镁、氧化镁、零价铁和氧化锌，这些材料能有效固定有害金属[15]、[16]。然而，金属纳米颗粒在水中过滤时可能会因聚集等相关现象而表现出较高的吸附效率。作为柱层析中的固定相用于去除重金属，但仍需要结合高吸附能力和再生潜力的经济型且可持续的吸附剂。例如，用磁性纳米颗粒改性的香蕉皮在固定床柱中表现出198.7 mg/g的Pb(II)吸附能力[17]。同样，壳聚糖涂层珍珠岩在流速为5 mL/min时对重金属的去除效率达到了92%[18]。这些发现突显了表面改性的天然材料作为商业树脂的经济高效替代品的潜力。柱层析在工业应用中具有连续操作和可扩展性等明显优势[19]。许多研究探讨了新型低成本吸附剂在柱层析中的应用，以实现高效去除废水中的重金属，同时优化吸附动力学和柱性能，并将操作成本降至最低。最近的吸附剂开发进展集中在具有优异金属结合能力的可持续材料上

化学试剂

所使用的试剂均为市售产品，未经任何额外纯化或修饰：硝酸镉四水合物（Cd(NO₃)₂·4H₂O；硝酸钴六水合物（Co(NO₃)₂·6H₂O；硝酸镍六水合物（Ni(NO₃)₂·6H₂O（均购自BDH-VWR）。

茶叶废弃物的收集与制备

本研究中使用的茶叶废弃物来自伊拉克安巴尔省的 household 废物。收获的茶叶经过仔细用水冲洗，以去除附着的污垢

傅里叶变换红外光谱（FTIR）

从茶叶废弃物中制备的活性炭的FTIR光谱覆盖了600–4000 cm^-1范围，显示了多个吸收带，对应于不同的官能团（图1）。O–H伸缩振动（3200–3600 cm^-1）表明存在由表面氧化或吸附水分产生的羟基。约3070 cm^-1处的小峰表明存在芳香族=C–H键，而1564 cm^-1和1550 cm^-1处的带分别对应于C=C和C–C伸缩振动。1023 cm^-1处的带是

结论

最近的研究表明，碳纳米颗粒（CNPs）在柱层析中可作为环境可持续材料，有效去除Cd²⁺、Co²⁺和Ni²⁺。通过FTIR、XRD、EDX、BET和SEM表征技术评估了该材料的特性。生产碳纳米颗粒（CNPs）是一种可行的水处理替代方案，可以通过经济可行的技术和方法实现。CNPs在去除Cd²⁺、Co²⁺和Ni²⁺方面表现出显著的效果

利益冲突声明

通讯作者声明不存在利益冲突。

数据可用性

数据可应要求提供

资助

本手稿的撰写未收到任何资助。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本研究工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

瓦赫兰·萨奥德感谢英国基尔大学地理、地质与环境学院的伊恩·奥利弗（Ian Oliver）以及俄罗斯莫斯科国立大学化学系的弗拉基米尔·佐洛本科（Vladimir Zholobenko）在她研究休假期间提供的分析方法和仪器支持。