从辣木胶中提取的生物相容性核心@壳层结构Fe?O?@Ti?C? MXene纳米平台，用于靶向光热癌症治疗

《Materials Today Communications》：Moringa Gum derived Biocompatible Core@Shell Fe 3O 4@Ti?C? MXene Nanoplatform for Targeted Photothermal Cancer Therapy

工业废水处理中，利用铝硫酸生产副产物部分脱铝高岭土（PDK）合成十二种地质聚合物吸附剂，通过调节SiO?/Al?O?（2.70–3.50）和Na?O/Al?O?（0.60–1.00）摩尔比，最佳配方（SiO?/Al?O?=2.96，Na?O/Al?O?=0.95）对甲基蓝（MB）去除率达66.57%，pH 10、4.0g/L吸附剂剂量、30℃下180分钟。XRD、FTIR、SEM等表征显示多孔Na-Al-Si-O框架（比表面积44m2/g，孔径32.6nm）。吸附符合Freundlich非线性模型（R2=0.9987）和Langmuir模型（qmax=427.06mg/g，R2=0.9856），动力学显示伪二级模型（R2=0.999）。热力学分析表明ΔG°<0（-0.98至-1.06kJ/mol），ΔH°=-8.59kJ/mol，过程自发且放热。

　　工业废水常常含有诸如甲基蓝（MB）等有毒的合成染料，这对环境和人类健康构成了严重威胁。本研究提出了一种可持续且成本效益高的染料去除方法，通过利用部分脱铝的煅烧高岭土（PDK）——一种铝硫酸盐生产过程中的工业副产品——合成地质聚合物吸附剂。为了探索最佳的吸附性能，研究团队准备了十二种地质聚合物配方，通过调整二氧化硅与三氧化二铝的摩尔比（2.70至3.50）以及氧化钠与三氧化二铝的摩尔比（0.60至1.00），以寻找最合适的组合。其中，优化后的配方（二氧化硅与三氧化二铝摩尔比为2.96，氧化钠与三氧化二铝摩尔比为0.95）在pH值为10、吸附剂量为4.0克/升、温度为30摄氏度、接触时间为180分钟的条件下，实现了高达66.57%的甲基蓝去除效率。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDX）和X射线荧光（XRF）等手段对材料进行了表征，确认其形成了具有高比表面积（44平方米/克）和平均孔径（32.6纳米）的多孔钠铝硅酸盐框架。

吸附性能受到pH值、接触时间、温度和吸附剂量等多方面因素的影响。吸附等温线分析表明，甲基蓝的吸附行为与非线性Freundlich模型高度吻合（R2 = 0.9987，K_F = 59.44（mg/g）（L/mg）^1/n，n = 2.83），这说明吸附过程是在非均质表面上发生的多层吸附。非线性Langmuir模型也提供了良好的拟合结果（q_max = 427.06 mg/g，K_L = 0.0152 L/mg，R2 = 0.9856），表明吸附行为可能部分符合单层吸附的特性。动力学研究显示，甲基蓝的吸附过程遵循非线性伪二级动力学模型，其中q_e = 39.98 mg/g，k_2 = 0.00083 g/mg·min，R2 = 0.999，这进一步验证了化学吸附是吸附速率限制的主要机制。热力学评估表明，在303至333 K的温度范围内，吸附过程的吉布斯自由能变化（ΔG°）为负值（-0.98至-1.06 kJ/mol），同时伴随着负的焓变（ΔH° = -8.59 kJ/mol）和熵变（ΔS° = -0.0253 kJ/mol·K），这表明吸附过程是自发且放热的，同时在固液界面处的随机性有所降低。这些全面的研究结果表明，基于PDK的地质聚合物吸附剂是一种高效、低成本且环保的解决方案，可用于处理染料污染的工业废水。

甲基蓝是一种广泛应用于造纸、羊毛和丝绸制造等工业领域的阳离子染料。它还常用于生物和制药行业。然而，甲基蓝的暴露会对人体健康造成多种不良影响，如皮肤刺激、胃肠道不适、头痛、呕吐、发热、血压升高，甚至不可逆的眼部损伤。纺织、塑料、食品加工、化妆品和造纸等行业是合成染料的主要消费者。2021年，这些行业的全球染料市场价值约为420亿美元。令人担忧的是，这些行业每年总共排放约70万吨的合成染料到废水中，其中近15%的废液未经适当处理就直接排放到环境中，对人类和生态健康构成了重大风险。

为了从工业废水中去除染料，已经开发了多种技术，包括膜过滤、凝聚、絮凝、沉淀和光催化降解。其中，吸附技术因其简便性、成本效益以及吸附剂的回收和再利用潜力而被认为是其中最有效和适应性最强的方法。尽管活性炭是工业规模上最常用的吸附剂之一，但其广泛应用受到高生产成本和再生困难的限制。吸附技术已被成功应用于去除多种污染物，包括染料、重金属和芳香污染物。为此，研究者们探索了多种吸附剂，如生物炭、蒙脱石黏土以及磁性氧化铁与壳聚糖的复合物等。

地质聚合物，也被称为无机聚合物，正逐渐成为一种绿色、三维结构的材料，具有优异的化学和热稳定性。这些合成材料通常来源于煅烧高岭土、稻壳灰以及其他富含二氧化硅和三氧化二铝的工业废料。由于其坚固的机械性能，地质聚合物在各种工业应用中越来越受到重视。近年来，它们已被成功应用于废水处理，特别是在去除重金属和合成染料方面。地质聚合物的优异化学和物理特性使其成为环境修复领域的研究热点。最近的研究主要集中在通过碱激发处理铝硅酸盐前驱体来制备能够从水介质中去除有害污染物的地质聚合物。这些前驱体可以是天然材料（如高岭土、云母、尖晶石、矿渣）或合成来源，如煅烧高岭土、粉煤灰以及其他工业残渣。激发过程通常在中等温度（20至100摄氏度）下进行，使用含有钠或钾离子的碱性硅酸盐溶液。形成的地质聚合物结构主要由三种网络框架组成：（Na,K）-聚（硅酸铝）[-Si-O-Al-O-]n、（Na,K）-聚（硅酸铝-硅氧）[-Si-O-Al-O-Si-O-]n和（Na,K）-聚（硅酸铝-二硅氧）[-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-]n。这些框架的特性取决于二氧化硅与三氧化二铝的摩尔比，并决定了地质聚合物材料的物理化学性质。

最近的研究表明，由工业废料制成的地质聚合物在去除合成染料方面具有巨大的潜力。例如，Zhou等人（2025）报告了一种镁改性粉煤灰吸附剂（Mg@FA），在120分钟内实现了高达95.6%的甲基蓝去除率，其吸附行为符合伪二级动力学模型和Langmuir等温线，吸附过程被证实为自发且吸热的。此外，Guo等人（2024）开发了一种超声辅助碱热激发的高硅粉煤灰（MSM），在pH值为9的条件下，150分钟内去除了92.7%的甲基蓝；吸附行为符合Langmuir和伪二级动力学模型，归因于协同作用的表面积增强、氢键作用、离子交换和静电相互作用。在地质聚合物复合材料领域，Onyango等人（2024）利用浮石和医疗废料粉煤灰合成磷酸基地质聚合物，表现出约31 mg/g的甲基蓝吸附容量，其性能优于原始浮石；吸附行为最符合Sips等温线和伪二级动力学模型，热力学分析进一步证实了该过程是自发的、放热的，并且由焓驱动。这些进展突显了精确的激发和复合材料形成如何提高污染物从废料流中的去除能力。

最近的研究强调了地质聚合物作为无机吸附剂在染料去除中的潜力，因为它们具有可调节的孔隙结构、化学稳定性和环保特性。然而，许多已报道的研究依赖于昂贵的原材料，或忽视了关键性能参数的优化，如二氧化硅与三氧化二铝的摩尔比，这些参数对于最大化吸附效率至关重要。此外，部分脱铝的煅烧高岭土（PDK）作为铝硫酸盐工业的固体废物，在地质聚合物生产中的应用仍鲜有研究。本研究通过使用PDK作为低成本、富含二氧化硅的前驱体，开发并优化了十二种地质聚合物配方。通过系统地调整前驱体比例和操作条件，如pH值、吸附剂量、接触时间和温度，最终实现了高达66.57%的甲基蓝去除效率。本研究的创新之处在于其综合性的方法：将工业废物转化为高性能吸附剂，对生成的材料进行全面表征，包括XRD、FTIR、SEM、EDX和XRF，并进行吸附等温线、动力学和热力学建模。详细的等温线分析表明，非线性Freundlich模型（R2 = 0.9987）是最合适的拟合模型，这说明吸附是在非均质表面上发生的多层吸附。动力学研究显示，非线性伪二级动力学模型（R2 = 0.999）最准确地描述了吸附机制，表明化学吸附是吸附速率限制的主要步骤。此外，热力学分析证实了该过程是自发且放热的（ΔH° = -8.59 kJ/mol，ΔG° < 0，ΔS° < 0），同时吸附的有利性随着温度的升高略有下降。这种综合方法不仅展示了将PDK废物用于地质聚合物合成的有效性，还通过等温线、动力学和热力学建模提供了深入的机理见解，使这些材料成为可扩展、环保的高级水处理技术解决方案。

本研究中使用的材料包括煅烧高岭土（MK）和部分脱铝的煅烧高岭土（PDK），它们分别来自埃及铝硫酸盐公司（ASCE），并作为本研究中地质聚合物合成的主要铝和无定形硅来源。PDK被视为ASCE生产过程中的副产品，通过酸浸提煅烧高岭土获得。MK和PDK的完整化学组成见表1。此外，还使用了商用级氢氧化钠（NaOH，纯度为98%）作为激发剂。

研究结果和讨论部分表明，颗粒大小分布通过激光粒度分析测定并呈现于图1中，结果显示大约90%的MK颗粒小于10微米，剩余的10%颗粒较大。MK的平均颗粒大小约为6.5微米。相比之下，PDK颗粒中有90%位于10至16微米之间，其余10%较小，PDK的平均颗粒大小约为13.8微米。PDK作为制备地质聚合物的主要成分，其特性对最终吸附剂的性能具有重要影响。

研究结果进一步表明，PDK的物理化学特性对地质聚合物的吸附性能起到了关键作用。通过调整不同的摩尔比，可以有效改变吸附剂的结构和性能，从而优化其对甲基蓝的去除能力。此外，吸附剂的制备过程对pH值、接触时间、温度和吸附剂量等参数非常敏感，因此在实际应用中需要仔细控制这些条件以确保最佳的去除效果。研究团队还通过实验验证了不同条件下的吸附行为，发现吸附效率在pH值为10时达到最高，这表明吸附过程对pH值具有较高的依赖性。同时，吸附剂量的增加也显著提高了去除效率，但过高的剂量可能导致吸附剂的浪费，因此需要在去除效率和经济性之间找到平衡点。

此外，温度对吸附过程的影响也得到了验证。研究发现，随着温度的升高，甲基蓝的去除效率略有下降，这表明吸附过程可能具有一定的放热性。然而，尽管温度对吸附效率有一定影响，其主要的速率限制机制仍为化学吸附，这表明吸附过程在分子层面上具有较强的相互作用。动力学分析进一步支持了这一观点，显示吸附过程遵循伪二级动力学模型，且吸附速率与化学吸附密切相关。

研究还强调了地质聚合物在吸附过程中表现出的优异性能。通过调整不同的摩尔比，可以形成具有不同孔隙结构和比表面积的吸附剂，从而优化其对污染物的吸附能力。此外，地质聚合物的化学稳定性使其在长期使用和重复利用方面具有优势，这在处理工业废水时尤为重要。研究团队通过实验验证了不同条件下的吸附行为，并发现吸附过程在非均质表面上发生的多层吸附特征，这表明地质聚合物具有较高的吸附容量和良好的吸附性能。

在热力学分析方面，研究团队发现吸附过程的吉布斯自由能变化为负值，这表明吸附过程是自发的。同时，焓变和熵变也为负值，这表明吸附过程伴随着能量的释放和系统有序性的增加。这些热力学特性进一步支持了吸附过程的自发性和放热性，表明其在实际应用中具有较高的可行性。此外，研究还发现，随着温度的升高，吸附的有利性略有下降，这表明吸附过程在一定条件下可能受到温度的影响，但其主要的速率限制机制仍为化学吸附。

本研究的成果不仅为处理染料污染的工业废水提供了新的解决方案，还为地质聚合物在环境修复领域的应用提供了理论支持和实验依据。通过将工业废物转化为高性能吸附剂，研究团队展示了可持续资源利用的潜力，同时通过系统的表征和建模，为吸附过程的机理提供了深入的解释。这些材料的可扩展性和环保特性使其成为未来水处理技术的重要方向。此外，研究还强调了在实际应用中，吸附剂的制备和使用需要综合考虑多种因素，以确保最佳的去除效果和经济性。通过优化不同的参数，可以进一步提高吸附剂的性能，使其在处理工业废水时更加高效和可持续。