脱乙酰化壳聚糖改性的、源自生物废物的磁性纳米复合材料用于增强锰（VII）的吸附性能：工业化可行性、方差分析（ANOVA）及先进理论研究

《Journal of Water Process Engineering》：Deacetylated chitin-modified, biogenic waste-derived magnetic nanocomposite for enhanced Mn(VII) adsorption: Industrial scalability, ANOVA, and advanced theoretical treatment

高效磁性生物复合材料DAC-AW/MNPs的合成及其对Mn(VII)的吸附机制研究。采用农业废弃物制备的活性炭为基体，通过功能化改性制备磁性复合材料，结合XRD、FTIR等表征证实其结构稳定性。实验优化表明在pH 2.0、16 mg剂量及150分钟吸附下去除率达90.48%，吸附动力学符合伪二阶模型，等温线吻合Freundlich模型。热力学分析显示吸附为自发吸热过程，结合能21.09-23.50 kJ/mol。该材料成本低（0.98 USD/m3）、可重复使用（90.37%循环效率），适用于重金属废水处理。

　　

Mohammod H. Rahman | Abdelrahman G. Gadallah | Raid Alrowais | Ahmed S. Elshimy

化学工程系，伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）工程学院，11432，利雅得，沙特阿拉伯

摘要

本研究详细介绍了高效磁性生物复合材料DAC-AW/MNPs的合成与应用，该材料旨在从受污染的水中去除Mn(VII)。这种磁性纳米吸附剂是通过将磁性纳米颗粒（MNPs）嵌入基于活性炭的生物废弃物（AW）基质中，并随后用脱乙酰壳聚糖（DAC）对其进行功能化而制备的。通过XRD、FTIR、BET、TG/DTG、FESEM、EDX和元素分析等综合方法验证了DAC-AW/MNPs的优异吸附性能。基于Box-Behnken设计（BBD）模型的优化研究和实验结果表明，在特定操作条件下（pH值为2.0、剂量为16毫克、作用时间为150分钟）可达到接近理论值的90.48%的Mn(VII)去除效率。吸附数据评估符合伪二级（PSO）动力学模型，平衡吸附过程能够通过Freundlich等温线模型准确描述。该纳米复合材料在328 K时的最大吸附容量为450.18毫克/克。利用先进理论物理计算揭示了其分子级吸附机制，表明吸附过程为多分子吸附（n > 1），且吸附位点对温度不敏感，同时分子呈垂直排列。热力学分析表明该过程是自发的吸热反应，结合能为21.09至23.50千焦/摩尔。由于生产成本仅为4.51美元/千克，并且具有出色的重复使用性（五次循环后仍保持90.37%的吸附效率），这种生物吸附剂是废水处理的成本效益解决方案。处理1立方米含150毫克/升Mn(VII)溶液的估计成本约为0.98美元，进一步凸显了其在高级三级水处理过程中的工业应用潜力，同时也证实了该材料作为可扩展的高性能重金属修复材料的潜力。

部分内容摘录

环境意义与战略实施潜力

高锰酸盐是一种持久性的水污染物，主要来源于采矿、矿物加工、钢铁制造和化石燃料燃烧等工业排放，具有高迁移性、稳定性和在水生系统中的氧化毒性。将农业废弃物转化为功能性材料为先进的水处理提供了循环经济途径。本研究概述了该材料的研发过程。

材料与试剂

本研究选用的主要吸附剂是一种来自中国广州南沙区的商用活性炭（AW）。这一选择基于其经济可行性。其他辅助化学品，包括脱乙酰壳聚糖凝胶、高锰酸钾（KMnO?，319.85克/摩尔）、七水合硫酸亚铁（FeSO?·7H?O）、氢氧化铵（NH?OH，25%）和六水合氯化铁（FeCl?·6H?O），均购自印度Loba Chemie公司。

FTIR光谱分析

为探究存在的官能团及其对Mn(VII)去除机制的影响，对AW、DAC-AW/MNPs以及吸附后的Mn(VII)/DAC-AW/MNPs样品进行了FT-IR光谱分析。图2a展示了收集到的光谱数据。活性炭材料的FTIR光谱在3413厘米?1（O-H伸缩）、1633厘米?1（C=C双键振动）、1400厘米?1（芳香结构中的C=C双键）和1064厘米?1（O-O伸缩）处显示出特征吸收峰。

结论

成功合成了一种由脱乙酰壳聚糖改性的生物基废弃物与磁性纳米颗粒组成的纳米复合材料（DAC-AW/MNPs），作为可持续的水处理平台。通过详细表征验证了其有效去除Mn(VII)的能力。本研究的主要发现总结如下：

1. 1. 合成与表征：成功制备了三相复合材料（活性炭、DAC生物聚合物、Fe?O?纳米颗粒）。

CRediT作者贡献声明

Mohammod H. Rahman：撰写、审稿与编辑、资金筹集。 Abdelrahman G. Gadallah：撰写、审稿与编辑、资金筹集。 Raid Alrowais：撰写、审稿与编辑。 Ahmed S. Elshimy：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、项目监督、数据分析、概念构思。

出版同意声明

作者声明：

1. 本研究为原创未发表成果；
2. 该手稿未在其他地方提交审稿；
3. 所有合作者均同意发表该论文。

伦理审批与参与同意

由于本研究未涉及人类或动物实验，因此无需伦理审批。

资金支持

本研究得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科研处的支持与资助（资助编号：IMSIU-DDRSP2602）。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响研究结果的财务或个人利益冲突。