膨润土改性的海藻酸钠/吉兰胶复合材料用于铁吸附：动力学、机理分析及其在农村地区地下水中的应用

《Inorganic Chemistry Communications》：Bentonite-modified sodium alginate/Gellan gum composite for Iron sorption: Kinetic, mechanistic analysis and application to groundwater in rural area

铁污染地下水处理中膨润土-酸钠/黄原胶复合材料的吸附机理与应用研究。通过FTIR、SEM、XRD等表征技术证实BTSAGG复合材料具有高比表面积和丰富活性位点，其吸附动力学符合伪二级动力学模型，最佳pH为7.0时吸附效率达83.2 mg/g。实际应用中可将尼罗三角洲地下水铁浓度从1.0 mg/L降至0.05 mg/L，锰浓度从0.8 mg/L降至0.01 mg/L，满足WHO饮用水标准。该材料具有机械强度高、可循环使用（>92%再生率）和环保特性（生物降解）等优势，为农村地区 decentralized 水处理提供新方案。

　　

Noha M. Mashaal|Khalid Z. Elwakeel|Eman S. Mansor|Ghada M. Taha

埃及梅努菲亚大学理学院地质系，希宾埃尔科姆32511

摘要

地下水中的铁污染是常见的健康和环境问题，尤其是在水资源供应有限的农村地区。通过用海藻酸钠（SA）和吉兰胶（GG）改性膨润土（BT），成功开发出一种新型的地质聚合物复合材料。通过FTIR、SEM、XRD、BET、TGA等表征技术，研究了这种Bentonite-海藻酸钠/吉兰胶复合材料（BTSAGG）的表面性质、多孔结构及化学成分。膨润土中的羧基、羟基以及可交换阳离子（如Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺离子是铁吸附的主要活性位点。在多种操作条件下（包括铁的氧化状态、pH值、接触时间、吸附剂用量和初始铁浓度）分析了BTSAGG的吸附动力学。探讨了各种操作因素对吸附容量、吸附速率和平衡行为的影响，重点关注它们对动力学参数（包括速率常数、扩散系数和Elovich动力学参数）的影响。随着pH值的升高，吸附效率提高（最佳pH值约为7.0）。吸附过程相对较快，需要90分钟才能达到平衡状态，并且动力学模型可以很好地用伪二级速率方程（PSORE）拟合，表明这是一个化学吸附的单层吸附过程，最大吸附容量为83.2 mg g^?1。使用0.5 M HCl/0.05 M NaCl进行脱附时，三个循环后的去除效率超过92%，且容量损失小于3%。在埃及尼罗河三角洲的实际地下水中，该复合材料将铁和锰的浓度分别从1.0 mg L^?1降低到0.05 mg L^?1（去除率95%）和0.8 mg L^?1（去除率98.8%），符合世界卫生组织的饮用水标准。本研究强调了这种由环保天然材料制成的新型吸附剂在污水处理中的实际应用价值。

引言

水对所有生命形式都至关重要。然而，地球上只有少量水资源以淡水的形式存在。绝大多数液态淡水储存在地下水中。在地表水稀缺或无法获得的地区，地下水是不可或缺的。预计到2050年，农业部门的水需求将增加约10%，以支持食品产量的60%增长[1]。这一增长的需求凸显了水资源安全的重要性，以及全球范围内实现可持续水资源管理的紧迫性。在干旱和半干旱地区，地表水尤为稀缺，使得地下水成为不可或缺的资源。在埃及，地下水占全国水资源的20%，随着干旱事件的频繁发生，其重要性日益凸显。此外，埃塞俄比亚大复兴大坝（GERD）的建设进一步增加了对地下水资源的依赖，特别是在沙漠和农村地区，它支撑了农业发展并弥补了地表水的不足[2]、[3]。

在尼罗河三角洲，地下水面临多重挑战，包括过度抽取、盐碱化和污染[4]、[5]。重金属污染的主要来源包括农业活动、工业排放、城市废物和废水灌溉[6]、[7]。重金属具有毒性、可溶性、持久性，并能在生物体内积累，对水、土壤和废水系统构成严重威胁[8]。高浓度的重金属会损害健康，尤其是肾脏、肝脏和神经系统[9]。铁（Fe）和锰（Mn）是土壤和沉积物中的天然存在离子，但由于矿物风化、工业废物处理和农业活动，它们的浓度可能会上升。过量的铁污染会导致健康问题和水质恶化，如水中的金属味和变色，并可能促进细菌生长，导致管道堵塞[10]、[11]、[12]。

传统的铁去除方法（如氧化和过滤）在缺乏集中式水处理设施的农村地区成本高昂且效果不佳。因此，吸附技术成为一种经济高效且实用的水处理方法，尤其适用于这些地区。该技术利用易于获取的天然材料（如吉兰胶、壳聚糖、海藻酸钠），适用于资源有限的地区[13]。

Joseph Davidovits在20世纪70年代初引入的地质聚合物因其三维非晶或半晶结构而具有优异的镉、铅和铬离子吸附能力[14]。地质聚合物化是通过碱溶液激活铝硅酸盐的过程，生成的碱激活材料（AAMs）在环境效益和效率方面表现出色[15]、[16]。膨润土（BT）、蒙脱石（MM）和沸石具有出色的吸附性能。高铝硅比、大表面积和强阳离子交换能力的膨润土可用于水处理和地质聚合物应用[17]。在粘土矿物中，蒙脱石（MM）和膨润土（BT）因其低成本和高效的吸附性能而备受关注。蒙脱石的负电荷层通过水合层间阳离子得到平衡，增强了其吸附污染物的能力[18]、[19]。膨润土凭借其高铝硅比、大表面积、显著的孔隙率和强阳离子交换能力，在地质聚合物和水处理应用中具有很高的价值。

与其他吸附剂相比，膨润土因其大表面积、强阳离子交换能力和化学稳定性而受到重视，使其成为去除水中重金属的理想选择。生物聚合物如海藻酸钠和吉兰胶也显示出作为长期吸附材料的潜力。然而，通常需要提高其机械稳定性和可重复使用性以增强其在水处理中的应用效果。将膨润土与生物聚合物结合使用，可以制备出结构更稳固、吸附性能更强的吸附剂，弥补单一材料的局限性。最近在基于粘土的地质聚合物技术方面的进展为有效去除污染物提供了创新解决方案[20]。由廉价且丰富的铝硅酸盐资源制成的地质聚合物表现出优异的重金属吸附能力[21]、[22]。

膨润土在去除重金属方面的应用主要通过将其嵌入生物聚合物基质（如海藻酸钠、壳聚糖和吉兰胶）中来增强。这种生物聚合物-膨润土复合材料提供了环保且机械性能优异的吸附方式。基于膨润土的复合材料是其他吸附剂的良好替代品，后者通常具有较低的吸附容量、复杂的合成过程和有限的可用性[23]。选择海藻酸钠（SA）作为主要生物聚合物，尤其是与吉兰胶（GG）结合使用，相比纯壳聚糖、纤维素或合成聚合物具有多项优势：(i) 在研究的pH范围内，海藻酸钠的羧基发生脱质子化，产生强烈的负电荷，有利于吸附阳离子Fe³⁺和FeOH²⁺；(ii) 海藻酸钠在CaCl₂溶液中立即发生离子交联，形成稳定的“蛋盒”结构，有利于珠状结构的形成；(iii) 海藻酸钠作为优良的离子粘合剂和分散剂，防止膨润土颗粒聚集，确保其大表面积和阳离子交换能力在复合材料中保持有效；(iv) 海藻酸钠可生物降解、无毒，来源于海藻（褐藻），符合开发环保、天然来源吸附剂的目标[25]。

本研究设计并合成了一种新型的膨润土改性海藻酸钠/吉兰胶（BTSAGG）复合材料，用于高效去除受铁污染的地下水。该复合材料结合了膨润土的高阳离子交换能力和海藻酸钠、吉兰胶的丰富官能团（–COO^?、–OH）及凝胶形成能力。与传统吸附剂不同，BTSAGG复合材料完全可生物降解、无毒且机械性能优异，适用于资源有限的农村地区的分散式水处理。研究系统地探讨了在不同操作参数（pH值、接触时间、吸附剂用量、初始浓度）下Fe(II)和Fe(III)的吸附动力学，采用四种动力学模型（PFORE、PSORE、IPDE、Elovich）和统计误差分析（χ²）来阐明其作用机制。此外，该复合材料还在埃及尼罗河三角洲采集的实际地下水样本上进行了测试。因此，本研究不仅提供了关于粘土-生物聚合物复合材料中铁吸附动态的基本理解，还为农村地区受铁污染的地下水处理提供了实用的环保解决方案。

材料

膨润土粉来自Wadi El-Natrun，由ICMI（Sadat工业区，埃及）提供；海藻酸钠（SA）、吉兰胶（GG）和氯化钙（CaCl₂购自美国Sigma-Aldrich（Merck KGaA）；硫酸亚铁（FeSO₄）无水粉末98%、硝酸铁（Fe(NO₃)₃无水粉末98%和盐酸（HCl）37%购自德国Fischer公司。

所有化学品均为分析级，无需进一步纯化即可使用。蒸馏水用于实验。

傅里叶变换红外光谱

图2显示了膨润土（BT）、吉兰胶（GG）和BTSAGG复合材料在铁吸附前后的FTIR光谱。在4000–500 cm^?1光谱范围内，ATR-FTIR光谱揭示了结构差异和官能团相互作用，尤其是在铁吸附后的变化。这一范围允许观察O-H、N-H和C-H伸缩振动。

结论

本研究成功开发了一种新型的环保型膨润土改性海藻酸钠/吉兰胶复合材料（BTSAGG），用于高效去除地下水中的铁，特别适用于资源有限的农村地区。该复合材料结合了膨润土的高阳离子交换能力和生物聚合物（海藻酸钠和吉兰胶）的多功能性，制备出机械稳定且可重复使用的吸附剂。关键研究结果表明，BTSAGG表现出优异的吸附性能。

作者贡献声明

Noha M. Mashaal：撰写——审稿与编辑、原始稿撰写、资源准备、方法论设计、数据整理、概念构建。 Khalid Z. Elwakeel：撰写——审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构建。 Eman S. Mansor：原始稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构建。 Ghada M. Taha：原始稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

Noha M. Mashaal

Noha M. Mashaal是环境地质学副教授，她的研究领域包括环境地球化学、水-能源-食物关系以及地下水系统，特别关注用于水处理和环境修复的无机及混合材料。