利用MnCo2O4/丙烯酸接枝黄麻纤维对水溶液中某些重金属离子进行电化学检测与去除

《Sensors and Actuators A: Physical》：Electrochemical detection and removal of some heavy metal ions from aqueous solution using MnCo2O4 / acrylic acid grafted Jute fibers

　　纳什瓦·M·优素福（Nashwa M. Yousif）| 哈迪尔·M·阿卜杜勒拉苏尔（Hadeer M. AbdelRasool）| 穆罕默德·R·巴尔布尔（Mohamed R. Balboul）| 雷哈布·M·阿提亚（Rehab M. Attia） 埃及原子能管理局国家辐射研究和技术中心固体物理与电子加速器部门，开罗11371 **摘要** 一个世纪前，电力最初被用于水处理；如今，它已成为废水管理的一种高效解决方案。近年来，对氢气这种宝贵且清洁的能源的需求显著增加，而废水的电解过程可以满足这一需求。电化学技术通过将不可生物降解的物质矿化，有效地去除废水中的污染物，从而将其转化为更易降解的物质。这种技术的优势包括操作简便、适应性强以及响应速度快。本研究旨在利用一种新型电极（MnCo2O4/AA-黄麻纤维）通过电化学方法检测并去除水溶液中的某些重金属。通过一种新型的环保技术（电子束辐照，EBI，剂量为40 kGy）将丙烯酸（AA）接枝到黄麻织物表面。尖晶石型MnCo2O4是通过沉淀法合成的。对这种纳米复合材料的表征采用了扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、热重分析（TGA）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和比表面积测定（BET）等方法。制备的MnCo2O4具有立方晶型，密度为5.564 g/cm3，晶胞体积为565.4 ?3，结晶度为93%，晶粒尺寸为29.36 nm。其比表面积为1.67 m2/g。研究发现，MnCo2O4/PAA-黄麻纤维混合物在有效去除受污染水中的Pb(II)和Cd(II)离子方面表现出最佳的电化学性能。通过在黄麻表面修饰聚丙烯酸（PAA）和MnCo2O4纳米颗粒，开发出一种新型传感器，用于循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）和差分脉冲伏安法（DPV）来同时检测水溶液中的Cd(II)和Pb(II)离子。研究还调整了pH值、扫描速率和电压等参数。Cd的检测限（LOD）为13.84 μg/L，Pb的检测限为0.756 μg/L。这项研究为开发基于MnCo2O4/PAA-黄麻纤维的新型电极的废水处理方案奠定了基础，该传感器能够准确检测自然水体中的重金属。 **引言** 快速的城市化和工业发展导致天然饮用水中重金属（如汞、铅和镉）的含量超过安全阈值。由于许多重金属具有毒性和致癌性，接触这些金属对健康构成严重威胁。人体需要微量的某些重金属（如铜、锌和硒），但过量则可能引发毒性。根据美国环境保护署（USEPA）的数据，城市地区主要依赖地表水，而农村地区则依赖地下水。河流、湖泊、池塘、溪流和海洋属于地表水的例子。地下水中重金属的浓度通常高于地表水。重金属离子的密度和原子量范围较广，从3.5到7 g/cm3不等。铅（Pb）、铁（Fe）、砷（As）、锌（Zn）、镍（Ni）、锡（Sn）、铜（Cu）、汞（Hg）和镉（Cd）等是最常见的重金属。这些金属天然存在，无法被分解或消除。某些重金属（如铁（Fe2?）、锌（Zn2?）、锰（Mn2?）和钴（Co2?）对生理功能至关重要，但过量摄入仍有害。即便在微量情况下，铅（Pb2?）、汞（Hg2?）、砷（As2?）和镉（Cd2?）等重金属也会对人体造成伤害。重金属被认为是主要的污染物，因其高毒性和生物累积性而备受关注。这些污染物会污染空气、水和土壤，对人类健康造成严重影响。这些有害物质（包括重金属离子）持续污染水体，威胁水生生物和人类健康。重金属可能来源于自然现象（如滑坡、风化和火山爆发），但更多是由人类活动（如采矿、农业、化石燃料燃烧和废物处理）产生的。因此，亟需开发新的方法来减少这些污染物的排放。目前去除重金属的主要技术基于固相萃取方法（如混凝、絮凝和沉淀），但这些方法的缺点是会产生大量重金属颗粒作为废弃物。相比之下，利用吸附、离子交换和膜分离等先进技术的液相萃取方法在浓缩金属离子的同时产生的固体废物较少。近年来，新型材料的研发在重金属离子吸附领域取得了显著进展。除了膜过滤和吸附技术外，电化学方法在重金属去除方面也越来越受欢迎，静电场技术被用于促进金属离子的去除、吸附和分离。已经开发并应用了多种检测水溶液中重金属离子的方法，包括光谱学、色谱法和电化学方法。常用的光谱技术包括原子荧光光谱、原子吸收光谱、X射线吸收光谱、原子发射光谱、电子自旋共振光谱和电感耦合等离子体质谱。电化学水处理（EWT）是一种创新的“绿色技术”，利用电能驱动氧化还原反应，在不消耗大量化学试剂的情况下实现高效的污染物降解。尽管效果显著，但其实施受到能耗的限制，成本受反应器设计和污染物浓度的影响较大。通常，每立方米废水的处理成本在0.03至3.85美元之间，处理时间、电力成本和电流密度对此有显著影响。在某些工业应用中，成本可降至每立方米0.50美元以下。然而，针对特定场景（如纺织废水）的特殊处理方法（如电化学氧化）成本可能更高，每立方米费用在1.01至2.42美元之间。主要运营成本为0.01至5 kWh/m3，但使用太阳能电池可大幅降低能耗，最多可节省27–30%。