通过改性活性炭增强和优化高效去除镍离子

为什么从水中清除金属很重要

镍被广泛用于电池、电子设备和金属镀层——但当它泄入河流和地下水时，会成为一种长期存在的毒物。它可能损害器官、干扰DNA，并在人们食用的鱼类和农作物中积累。许多工厂难以高效且低成本地从废水中去除溶解态镍。本研究探索了一种由活性炭制成、经过特殊处理以更强地捕获镍离子的低成本可再生过滤材料，为保护饮用水和环境提供了一种切实可行的方法。

把普通碳变成更聪明的海绵

研究人员以商业活性炭为起点，这是一种多孔的木炭，已在许多过滤器中使用。通过用一种称为芬顿溶液的混合物——过氧化氢和含铁盐在酸性水中——对其进行处理，他们腐蚀并氧化了表面。该过程产生了所谓的改性活性炭（MAC），其内部比表面积更大并具有更多含氧化学基团。这些基团像微小的钩子一样能钩住溶解的金属离子。使用红外光谱、气体吸附和电子显微镜的测试证实，新材料形成了具有纳米尺度特征和大量反应位点的高度多孔、海绵状结构。

寻找捕捉镍的最佳配方

仅有好材料还不够；如何在水中使用它同样重要。团队系统地改变了四个关键条件：水与MAC接触的时间（停留时间）、酸度（pH）、MAC用量以及镍的浓度。通过一种称为响应面法的统计方法，他们进行了54次精心选择的实验并建立了一个数学模型，能够预测在任意这些条件组合下可去除多少镍。模型与测量结果吻合良好，并显示每升水所用MAC量是最重要的单一因素，其次是初始镍浓度。最佳条件为：极酸性水（pH 1）、150分钟接触时间、每升水0.2克的相对较小MAC剂量，镍浓度为125毫克/升。

镍如何在过滤器内粘附

为了解微观层面发生了什么，研究人员追踪了镍的吸附速率及其在MAC表面的分布。随时间变化的数据符合一种动力学模型，表明是“化学吸附”，即镍形成更强、更特异的键合，而不是仅靠弱的物理吸附。平衡测试显示，行为与镍在孔内多种位点上形成主要为单层的覆盖一致。第三类分析表明，键合涉及离子交换和静电相互作用，镍离子与碳表面上的其它带电物质发生置换。综合这些发现，描绘出一种高度有序的化学锁定镍的机制，而非简单的偶然粘附。

滤料的再利用与成本核算

任何现实世界的处理方案都必须经济且可重复使用。团队将MAC反复循环经过五轮镍捕获和酸洗。尽管性能略有下降，但材料在多次使用后仍能去除大部分镍，保留了约85%的原始容量。基于本地碳材和化学品价格以及搅拌用电的简单成本分析表明，生产一公斤MAC的费用低于一美元——比许多商业活性炭更便宜。低成本加上良好性能，使其对大规模废水处理厂具有吸引力。

这对更安全的水意味着什么

简而言之，研究表明一种廉价的改性木炭可以通过简单的处理步骤一次又一次地从水中去除大量有毒镍。通过微调酸度、接触时间和材料用量等条件，工程师能用相对少量的MAC实现很高的去除率。鉴于该材料成本低廉、在强酸性流中稳定且可再生，它为希望在污染进入河流、土壤和食物链之前减少重金属排放的工厂和城市提供了一个有吸引力的选择。

引用: Abdel-Moniem, S.M., Mohammed, R., Ibrahim, H.S. et al. Enhancing and optimization for efficient removal of nickel ions by modified activated carbon. Sci Rep 16, 12700 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46490-1

关键词: 镍去除, 活性炭, 废水处理, 重金属, 水净化