基于榅桲叶协同吸附去除藏红染料的多维度研究：实验与理论计算验证

本研究针对工业废水中有毒阳离子染料污染难题，创新性利用全球广泛分布的榅桲叶作为生物吸附剂，通过优化pH、接触时间等参数实现藏红染料高效去除（最大吸附量666.67 mg g?1 ）。研究结合Langmuir等温模型（R2 =0.9878）与伪二级动力学模型（R2 =0.9893）证实化学吸附主导机制，DFT计算揭示分子间相互作用，为可持续水处理技术提供新方案。

　　

随着纺织工业和印染行业的快速发展，含有复杂芳香结构的合成染料对水环境造成了严重威胁。其中，阳离子型藏红染料（safranin）因其高毒性和难降解特性尤为突出，这些染料能穿透细胞膜并在生物体内蓄积，引发致癌、致突变等健康风险。传统处理方法如膜过滤、电化学氧化等存在能耗高、二次污染等问题，而低成本生物吸附技术成为研究热点。

在这项发表于《Journal of Molecular Liquids》的研究中，研究人员首次系统评估了榅桲叶对藏红染料的吸附性能。这种天然材料在土耳其、中国等全球多地广泛分布，其未经化学修饰的叶片富含羟基、羧基等活性基团。通过多尺度实验与理论计算相结合的策略，团队揭示了该生物吸附剂的作用机制及其工业化应用潜力。

研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电镜-能谱（SEM-EDX）表征材料特性，通过批量吸附实验优化操作参数。等温线分析采用Langmuir、Freundlich等五种模型，动力学研究涵盖伪一级（PFO）、伪二级（PSO）及粒子内扩散模型。热力学参数通过范特霍夫方程计算，并运用密度泛函理论（DFT）模拟分子相互作用。

材料表征结果
FTIR分析显示榅桲叶含有3340 cm^?1
处的O-H/N-H伸缩振动峰和1730 cm^?1
的C=O特征峰，证实其富含多糖、蛋白质等活性位点。SEM观察到叶片具有多孔层状结构，比表面积达8.43 m²
g^?1
，EDX检测到C、O等元素占比超90%，为染料吸附提供物理化学基础。

吸附性能优化
在pH=8、接触时间120分钟、吸附剂用量0.5 g L^?1
时获得最佳去除率（>90%）。Langmuir模型拟合度最高（R²
=0.9878），最大吸附容量达666.67 mg g^?1
，显著高于多数报道的生物质吸附剂。分离系数R_L
（0.032-0.769）表明吸附过程有利，D-R模型计算的吸附能15.81 kJ mol^?1
证实化学吸附主导。

动力学与热力学
PSO模型（R²
=0.9893）最佳描述吸附过程，说明存在电子共享或交换。热力学参数ΔG°=?4.014 kJ mol^?1
、ΔH°=7.30 kJ mol^?1
显示该过程为自发的吸热反应，熵增（ΔS°=41.29 J mol^?1
K^?1
）表明固液界面无序度增加。

分子机制与再生性能
DFT计算揭示染料分子中-N(CH₃
)₂
基团与叶片酚羟基形成氢键，吸附能达?28.6 kcal mol^?1
。使用0.2 M乙醇可实现92%的脱附率，经5次循环后仍保持80%以上效率，证实材料具有良好的再生性。

这项研究首次将榅桲叶开发为高效藏红染料吸附剂，其性能优于柑橘叶、桉树叶等常见植物材料。通过建立"Langmuir等温线-PSO动力学-DFT计算"三位一体的研究范式，不仅阐明了化学吸附机制，还为联合国可持续发展目标（SDG 6）中的清洁水方案提供了实践案例。该生物质材料无需化学改性、全球易得的特点，使其在工业废水处理领域具有显著的成本优势和规模化应用潜力。