下一代环保型硅藻土基气凝胶的研发：在染料去除中的应用及生物潜能评估

《Next Research》：Development of Next-Generation Eco-Friendly Diatomite-Based Aerogels: Application in Dye Removal and Evaluation of Biological Potentials

气凝胶制备与甲基蓝吸附及抗菌活性研究

　　

Merve Paksoy Balci | Ramazan Bayat | Bahar Yilmaz Altinok | Cenk Karakurt | Fatih Sen

土耳其比莱吉克省塞伊赫埃德巴利大学天然石材技术应用与研究中心，邮编11100

摘要

本研究采用溶胶-凝胶法和冻干法制备了环保且经济的硅藻土基二氧化硅气凝胶。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量分散X射线光谱（EDX）对气凝胶结构进行了分析。结果表明，形成了非晶态、高硅氧化物（SiO₂）含量的海绵状气凝胶结构。该气凝胶被用于去除亚甲蓝（MB）染料：使用20毫克气凝胶，在180分钟内可吸附95.65%的MB。伪二级动力学模型表明气凝胶适用于MB的去除。此外，在气凝胶的生物应用方面，还进行了抗细菌测试（针对变形链球菌（Streptococcus mutans）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、粪肠球菌（Enterococcus faecalis）和化脓性链球菌（Streptococcus pyogenes）），以及HT-29和L929细胞系的细胞毒性测试。气凝胶对金黄色葡萄球菌表现出较高的抗菌活性（最小抑菌浓度：2.75 μg/ml），并对HT-29癌细胞具有细胞毒性（半数抑制浓度：87.68 μg/ml）。

章节摘录

引言

随着人口的增长，商业化和工业生产日益普及。有机染料在纺织、化妆品、塑料和食品等多个工业领域得到广泛应用。特别是在纺织领域，亚甲蓝（MB）、孔雀石绿、罗丹明B和甲基橙等染料被广泛用作色素[1]。即使在极低浓度下，染料废物也会与其它物质混合后产生毒性物质，难以生物降解，从而引发环境问题。

材料

硅藻土样本取自土耳其库塔希亚地区。所选有机污染物染料为亚甲蓝，由Carlo Erba公司提供。氢氧化钠（NaOH，纯度99.0%）购自Lapointe公司，盐酸（HCl，浓度37% w/w）购自Honeywell Fluka公司，无水乙醇购自Sigma Aldrich公司。研究过程中使用的亚甲蓝 hydrate、氢氧化钠、盐酸、乙醇、氨苄西林、卡那霉素和氯霉素均未经纯化处理。

硅藻土基SiO₂气凝胶的制备

为了从硅藻土中提取二氧化硅……

结果与讨论

染料去除过程中的机制因所用方法和材料类型而异，常见的包括离子交换、化学反应、疏水相互作用、静电相互作用、孔隙扩散和π-π相互作用。当多孔气凝胶作为吸附剂时，主要起作用的是静电相互作用[26,27]。气凝胶带有负电荷，而亚甲蓝是一种带正电荷的阳离子染料。

结论

本研究利用溶胶-凝胶法和冻干法制备了低成本、可持续且环保的硅藻土基气凝胶，其SiO₂含量较高。

通过多种表征方法研究了气凝胶的化学键、晶体结构和形态特性。XRD分析显示SiO₂以非晶态存在。SEM分析表明气凝胶具有高孔隙率的海绵状结构。

伦理声明

本研究未涉及人类或动物样本。

资金支持

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的资助。

数据获取

本研究使用的数据和材料可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

Merve Paksoy Balci：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据管理、概念构思。 Ramazan Bayat：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据管理、概念构思。 Bahar Yilmaz Altinok：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据管理、概念构思。 Cenk Karakurt：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据管理、概念构思。 Fatih Sen：

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。