瓜尔胶-海藻酸钠水凝胶的开发及其在可持续高效去除废水中结晶紫染料的应用研究

本推荐研究通过自由基聚合法成功合成了一种兼具共价和离子交联的瓜尔胶-海藻酸钠（GG-SA）基水凝胶，并系统评估其对废水中结晶紫染料（CV）的吸附性能。表征结果显示该水凝胶具有稳定多孔结构及丰富官能团，在碱性条件下溶胀率高达1480%。吸附实验表明，在优化条件（0.3 g吸附剂剂量、5 mg·L?1染料浓度、中性pH、25°C）下可完全去除CV，吸附过程符合Freundlich等温模型（最大吸附容量3.245 mg·g?1）和伪二级动力学模型，且经历四次循环仍保持稳定性能，为废水处理提供了绿色高效的解决方案。

　　

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Chemicals and reagents

瓜尔胶（GG, CAS编号：9000-30-0）和结晶紫（CV, C₂₅H₃₀ClN₃, 96%, 分子量＝407.99 g·mol^?1）均购自印度Loba Chemie Pvt. Ltd.公司。过硫酸铵（APS, 分子量＝223.2 g·mol^?1, 98%）和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（N,N-MBA, 分子量＝154.17 g·mol^?1）购自印度Sigma-Aldrich公司。海藻酸钠（SA, CAS编号：9005-38-3）购自印度Himedia公司。氯化钙（CaCl₂, 98%, 分子量＝110.98 g·mol^?1）购自印度Merck公司。所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化。

Mechanism of GG-SA hydrogel formation

GG-SA水凝胶的形成机制如方案2所示。该过程涉及自由基聚合、共价交联、离子交联和非共价物理相互作用的协同机制。反应起始于引发剂APS的热分解产生硫酸根自由基（如方案2(i)所示），这些自由基从GG和SA的羟基中提取氢原子，形成大分子自由基。随后丙烯酰胺单体在这些位点发生接枝共聚（方案2(ii)），并通过交联剂N,N-MBA形成共价交联网络（方案2(iii)）。同时，SA的古洛糖醛酸单元与Ca²⁺离子通过"蛋盒"模型发生离子交联（方案2(iv)），而氢键和链缠结等物理作用进一步稳固了三维网络结构。

Conclusion

可以得出结论：通过自由基聚合法成功合成了GG-SA水凝胶，该水凝胶兼具共价与离子交联结构。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、场发射扫描电镜（FESEM）、X射线光电子能谱（XPS）和Zeta电位等技术对其结构和功能特性进行了验证。吸附研究表明，在优化条件（0.3 g吸附剂剂量、5 mg·L^?1染料浓度、中性pH、25°C温度）下，水凝胶可实现结晶紫染料的完全去除。通过等温线和动力学模型分析表明，该过程符合Freundlich等温模型（多层吸附）和伪二级动力学模型（化学吸附主导）。热力学参数证实其为放热的自发过程。此外，四次循环的重复使用性实验显示出稳定的性能，证实了该水凝胶在废水处理应用中具有可持续染料去除的潜力。