解析沸石-纸复合材料作为一种可持续吸附材料在高效去除锌离子方面的应用

《Materials Science and Engineering: B》：Unraveling zeolite-paper composite as a sustainable adsorbent material for efficient removal of zinc ions

废弃纸浆与天然沸石复合吸附剂用于锌离子高效去除，通过XRD、FTIR和FESEM表征证实其结构稳定性。最佳吸附条件为pH 6、初始浓度100 mg/L、沸石与纸浆质量比1:5时去除率达97%，吸附容量达133 mg/g，再生性能优异。

　　

Vividha K. Landge | R.W. Gaikwad | Hemant S. Sadafale | Vikas S. Hakke | Shirish H. Sonawane | A.R. Warade | S.A. Misal

印度马哈拉施特拉邦Pravaranagar（Loni）413736，Padmashri Dr. Vitthalrao Vikhe Patil技术工程学院（理工学院）化学工程系

摘要

本研究探讨了将废纸回收浆料进行增值处理，通过加入天然沸石Apophyllite制备新型复合材料的方法。所提出的基于沸石的复合滤纸（ZEPA）被证明是一种可持续、高效且低成本的吸附剂，可用于去除废水中的锌离子。通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）对制备的ZEPA进行了表征。在不同操作条件下（如pH值、锌离子初始浓度、ZEPA中的Apophyllite浓度以及接触时间）研究了ZEPA对锌离子的去除效果。在pH值为6、锌离子初始浓度为100 mg/L、平衡时间为350分钟的条件下，当沸石与废纸浆的质量比为1:5时，ZEPA对锌离子的最大去除率达到97%。本研究还分析了Langmuir和Freundlich吸附等温线，估算出ZEPA的最大吸附容量（q_max）为133 mg/g。值得注意的是，重复使用ZEPA后其吸附效率几乎没有下降，表明其具有再生潜力。总体而言，ZEPA是一种环保、性能优异且成本较低的吸附剂，适用于从废水或酸性矿井排水等液体介质中去除重金属。

引言

鉴于当前的技术发展，对每种工业产品进行生命周期分析并建立环境可持续处理方法至关重要[1]。除了工业废物外，各种工业产品在使用过程中也会产生污染。特别是纸浆和造纸行业会产生大量的液态和固态废物[2]。纸张是一种多功能材料，广泛应用于清洁、包装、卫生和出版等多个领域，在我们的日常生活中以及众多产业发展中发挥着重要作用[3]。全球纸浆和造纸行业每年产生的废水量约为7亿立方米，其中含有高浓度的无机物、有机金属和有机污染物（如可吸附的有机卤化物），这些物质会对环境造成负面影响[2][4]。该行业生产过程中的主要缺点是初期需要消耗大量木材。纸张生产过程中产生的废水与所用木材的比例约为1:60，这表明纸张生产过程中消耗了大量水资源，使其处于较为脆弱的地位[2][3][5]。

尽管面临诸多挑战，废纸处理仍然是一个亟待解决的问题。为此，废纸的增值利用成为应对纸浆和造纸行业产生的二次废物的有效策略[6]。此外，水系统中的重金属污染是21世纪最严重的公共卫生和环境问题之一。

废水中的重金属离子会对周围环境产生严重影响。由于这些离子具有较长的活性期，它们更易与硫和氧发生反应，从而在环境中产生多种酸类物质。因此，由于重金属离子的顽固性质，从废水中去除它们具有挑战性。

最近的研究采用了多种方法来处理含金属的废水[7][8]，包括化学沉淀、浮选、化学氧化/还原、膜分离、离子交换、溶剂萃取、真空蒸馏技术[9][10]、光伏驱动的海洋电化学系统[11]以及吸附技术[12]等。活性处理技术通常涉及石灰石等化学物质，以及纳米材料和纳米复合材料（如改性钙衍生物Fe(III)）用于废水处理[14]。

多项研究使用生物质基吸附剂和天然沸石成功从废水中提取了重金属离子[15][16][18]。Irannajad等人的研究表明，天然沸石及改性纳米沸石对镍（Ni）、镉（Cd）、铅（Pb）和铜（Cu）离子具有较高的吸附能力，其中镍和镉的吸附效果尤为显著[19][20]。另一项综述指出，所有类型的沸石对铅（Pb(II)）的吸附能力最强，对铬（Cr(IV)）、铜（Cu(II)）、锌（Zn(II)和钴（Co(II)）的吸附能力也相当好[13]。Haghighi等人的研究也证实沸石特别适合去除铅（Pb(II)、镍（Ni(II)和锌（Zn(II)）[21][22]。研究表明，铜（Cu(II)][23]、锌（Zn(II)和镉（Cd(II)）离子在天然沸石[21][24]及天然粘土矿物[25][26]上能够快速被吸附。Chen等人[27]开发了一种由天然attapulgite和碱渣制成的复合颗粒，其吸附过程符合伪二级吸附机制，并可用Freundlich等温线模型进行描述。

虽然合成吸附剂的吸附能力更强，但成本也相对较高。天然吸附剂具有经济性和环保优势[28]。许多研究报道了利用环保、可持续的生物质来源的吸附剂去除重金属离子，例如椰子壳[29]、甜瓜皮生物炭[30]、玉米须活性炭[31]、葡萄柚皮[32]、橙子皮和核桃壳[33]等[35]。然而，目前尚未有研究利用含有天然沸石和废纸浆的复合吸附剂去除水中的锌（Zn(II)。

本研究旨在通过将废纸回收并加入沸石来制备新型复合吸附剂，以有效去除水溶液（如酸性矿井排水）中的重金属离子。所提出的基于沸石的复合滤纸（ZEPA）被用作去除废水中锌（Zn(II)的绿色吸附剂。实验考察了金属离子浓度、时间和pH值对锌离子去除效果的影响。所有实验均在过滤压榨机中进行。通过Freundlich和Langmuir等温线分析了实验数据并评估了吸附动力学。结果表明，ZEPA在从水溶液中提取锌离子方面具有巨大潜力。此外，ZEPA可多次重复使用而不影响其质量和吸附性能，并且可以在可控条件下回收。这种复合ZEPA具有成本效益高、便携性强和环境可持续性等优点。

化学物质

沸石样品来自印度西部的Nizarneshwar山区。将沸石从原始状态纯化为实验可用形式需要额外的处理。通过使用Loba Chemie Pvt. Ltd.提供的浓缩硝酸（HNO_3，69%）和盐酸（HCl，37%）对天然沸石进行提纯。所有使用的化学试剂均用去离子水（DI water）配制至所需的化学组成状态。

沸石的调理与处理

ZEPA的表征

根据Gaikwad等人之前的研究[41]，我们对沸石进行了初步表征，并通过XRD和FTIR进行了分析。本研究中使用的沸石即为该批次的沸石。

结论

通过添加沸石对废纸进行了增值处理，制备出了复合纸。这种基于沸石的复合滤纸（ZEPA）主要由废纸浆和天然沸石粉末组成，在废水处理（尤其是去除重金属）方面表现出显著潜力。研究发现，最佳的沸石与废纸浆的质量比为1:5。

CRediT作者贡献声明

Vividha K. Landge：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据分析。 R.W. Gaikwad：结果验证、监督、概念构思。 Hemant S. Sadafale：结果验证、数据整理。 Vikas S. Hakke：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据整理、概念构思。 Shirish H. Sonawane：结果验证、监督、项目管理、方法设计。 A.R. Warade：实验研究。 S.A. Misal：方法设计、实验研究。

遵守伦理标准

作者声明：本研究结果未涉及人类和/或动物的权益。

资金来源

本研究未获得任何资金支持。

利益冲突声明

作者声明：他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。