一种用于去除亚甲蓝的可持续多糖-木质纤维素-矿物颗粒生物复合吸附剂的设计

《Journal of Applied Polymer Science》：Design of a Sustainable Polysaccharide-Lignocellulosic-Mineral Granular Biocomposite Sorbent for Methylene Blue Removal

生物吸附剂开发；咖啡渣/蛋壳/壳聚糖复合材料；环氧氯丙烷交联；NaOH浓度优化；吸附等温模型；再生性能评估；废水处理技术；环境科学；纳米材料；吸附动力学

　　本研究聚焦于开发一种基于废弃咖啡渣（SCG）、蛋壳（ES）和壳聚糖（Chi）的复合吸附材料，以去除水体中的亚甲基蓝（MB）染料。这类染料广泛应用于工业领域，尤其是纺织业，其高溶解性和强亲水性使其在水体中容易扩散，进而对生态环境和人类健康构成威胁。MB具有一定的毒性，当其排放到自然水体中时，会引发水体污染问题。因此，寻找高效、经济且可持续的吸附材料成为当前环境治理研究的重要方向。

吸附技术因其操作简便、成本低廉以及对污染物的高效去除能力，被认为是处理水体中MB污染的一种有吸引力的方法。近年来，越来越多的研究关注于利用废弃生物质作为吸附材料的来源，以实现资源的循环利用并减少对环境的负担。SCG和ES作为常见的食品废弃物，因其丰富的有机成分和可再生性，成为理想的吸附材料候选者。壳聚糖作为一种来源于甲壳类动物壳的天然多糖，因其具有良好的生物相容性和化学可修饰性，也展现出在水处理领域的应用潜力。

为了提升吸附材料的性能，研究者们尝试了多种改性方法，包括化学交联和碱洗处理。交联剂如环氧氯丙烷（ECL）能够提高材料的机械稳定性，使其更适合在实际应用中使用，如固定床柱过滤。然而，交联过程可能会对材料的吸附能力产生复杂的影响，特别是在不同组成和结构的材料中。因此，研究交联剂与碱洗浓度的协同作用对吸附性能的影响具有重要意义。同时，研究者也关注如何在提升性能的同时，保持材料的可持续性，避免因过多化学品的使用而降低其环保价值。

本研究中，通过调整NaOH的浓度（0.5 M和1.8 M），对SCG、ES和Chi的复合材料进行了预处理，并进一步采用ECL进行交联。实验结果显示，不同的NaOH浓度和交联处理对MB的吸附能力产生了显著影响。在实验室纯水中，非交联材料SCG80-a和SCG80-b的吸附容量分别为82 mg/g和119 mg/g，而交联材料SCG80-ECL-a和SCG80-ECL-b的吸附容量分别为94 mg/g和139 mg/g。这些数据表明，提高NaOH浓度在提升吸附性能方面具有重要作用，而交联作用则在较低NaOH浓度下对吸附能力的提升有限。

在实际环境样品中，如河水（RW）和含盐地下水（W3），吸附效率有所下降。在5 mg/L的MB浓度下，SCG80-a和SCG80-ECL-a在RW中的去除率分别为63%和63%，而在W3中的去除率分别为42%和47%。相比之下，SCG80-b和SCG80-ECL-b在RW中的去除率分别为77%和76%，在W3中分别为49%和53%。这表明，尽管NaOH浓度的提高提升了吸附材料的性能，但在含有较高盐度的环境中，吸附效率仍受到一定限制。

为了评估吸附材料的可重复使用性，研究者进行了多次吸附-解吸循环实验。实验结果显示，甲醇作为再生剂能够有效恢复吸附材料的性能，且在前几次循环中去除率略有下降，但在第六次循环时仍能保持在80%以上。这表明，该类吸附材料具有良好的再生能力，适用于实际水处理场景中的长期使用。此外，再生后的材料仍能保持较高的重量，说明其结构稳定性良好。

在材料表征方面，研究采用了多种技术手段，包括热重分析（TGA）、固体核磁共振（¹³C固体NMR）和比表面积分析（BET）。TGA结果显示，不同处理方式下的材料表现出不同的热分解特性，其中较高的NaOH浓度能够有效去除部分易分解的有机成分，如半纤维素和酚类物质，同时保留部分热稳定性较高的组分，如木质素。这些结果与¹³C NMR的分析结果一致，表明NaOH浓度的提升能够改变材料的化学组成，进而影响其吸附性能。

FTIR光谱分析进一步揭示了材料表面官能团的变化。在NaOH处理后，材料中的一些酯类和酚类官能团的特征峰消失，而一些与脂类相关的C?C键的峰则增强，表明在高浓度NaOH处理下，材料中更多的脂类和脂肪酸被提取出来。这可能与吸附过程中MB与材料表面官能团的相互作用有关，例如通过静电相互作用、氢键作用、π-π堆叠和范德华力等非共价作用机制。

在吸附能力的评估中，研究者采用了Sips等温模型，该模型结合了Langmuir和Freundlich模型的优点，能够更全面地描述吸附过程中的异质性。通过该模型，可以计算出材料的理论最大吸附容量（Q_m）和异质性因子（n）。实验数据表明，Sips模型能够很好地拟合吸附曲线，且不同处理方式下的吸附材料表现出不同的异质性特征。例如，SCG80-a和SCG80-ECL-a的n值分别为1.4和0.96，说明其吸附位点具有一定的异质性，而SCG80-b和SCG80-ECL-b的n值更接近1，表明其吸附过程更接近于均质模型。

此外，研究还探讨了不同浓度NaOH对吸附材料性能的影响。在实验中，SCG80-b和SCG80-ECL-b表现出更高的吸附容量，这可能与高浓度NaOH在材料处理过程中对某些组分的进一步提取有关。这种提取过程可能增强了材料的表面活性，从而提高了其对MB的吸附能力。然而，高浓度NaOH处理也带来了更高的材料成本和化学输入，这可能影响其整体可持续性。

在实际水处理过程中，吸附材料的性能不仅取决于其自身的吸附能力，还受到环境条件的影响。例如，河水和地下水中的盐分可能对MB的吸附产生干扰，降低去除效率。因此，研究者在不同环境样品中测试了吸附材料的性能，并发现其在高盐度条件下的吸附效率明显低于纯水环境。这表明，虽然这些吸附材料在实验室条件下表现出优异的性能，但在实际应用中，可能需要进一步优化其适应性。

为了应对这一挑战，研究者还探索了吸附材料的再生性能。通过使用甲醇作为再生剂，实验发现吸附材料在多次循环后仍能保持较高的去除率，这表明其具备良好的重复使用潜力。然而，需要注意的是，再生过程可能对材料的结构和性能产生一定影响，因此在实际应用中需要权衡其再生效率与材料寿命之间的关系。

总体而言，本研究展示了基于SCG、ES和Chi的复合吸附材料在去除MB染料方面的潜力，并深入探讨了NaOH浓度和交联处理对吸附性能的影响。通过系统的研究方法，不仅揭示了吸附材料的物理和化学特性，还评估了其在不同环境条件下的实际应用效果。研究结果表明，通过合理的碱洗和交联处理，可以显著提升吸附材料的性能，同时保持其结构稳定性和再生能力。这为未来开发更高效、更环保的吸附材料提供了理论依据和技术支持，有助于推动绿色化学和可持续水处理技术的发展。