硅灰吸附去除阳离子染料MB与BB-41：基于中心复合设计法的效能优化与机理探究

本研究针对纺织工业废水中有毒且难降解的阳离子染料污染问题，探讨了以工业副产品硅灰(SF)作为可持续吸附剂去除亚甲基蓝(MB)和碱性蓝41(BB-41)的可行性。通过CCD优化实验参数，研究发现SF对MB和BB-41的最大单层吸附容量分别高达189.31 mg/g和108.95 mg/g，吸附过程符合Freundlich等温线和准二级动力学模型，表明其为多层化学吸附主导。该研究为低成本、高效的染料废水处理提供了新策略，并实现了工业废料的资源化利用。

　　

在全球纺织工业蓬勃发展的背后，是大量含有合成染料的废水被排入水体环境所带来的严峻挑战。其中，亚甲基蓝（Methylene Blue, MB）和碱性蓝41（Basic Blue 41, BB-41）作为两种广泛使用的阳离子染料，因其具有毒性、致癌性及难生物降解性，对水生生态系统和人类健康构成潜在威胁。传统的废水处理方法往往成本高昂或效率有限，因此，开发经济、高效且环境友好的吸附剂成为当前研究的热点。理想的解决方案是能够将工业废弃物“变废为宝”，实现废物的资源化利用。在此背景下，来自Semnan University的Shohre Mortazavi、Mika Sillanp??和Ebrahim Najafi的研究团队将目光投向了一种常见的工业副产品——硅灰（Silica Fume, SF）。SF是硅铁合金工业生产过程中产生的超细粉末，主要成分为无定形二氧化硅，具有比表面积大、表面富含活性基团等特点，但其在同时去除多种染料方面的潜力尚未被充分探索。本研究旨在系统评估未改性SF对MB和BB-41的吸附性能，并采用中心复合设计（Central Composite Design, CCD）这一先进的实验设计方法对吸附过程进行优化，以期为染料废水的实际处理提供一种新颖、可持续的技术方案。相关研究成果发表在《Results in Chemistry》上。

为开展此项研究，研究人员主要应用了几项关键技术方法。首先，对SF吸附剂进行了详细的理化性质表征，包括使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察其微观形貌，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析其表面官能团，并通过X射线荧光（XRF）确定其化学组成。其次，设计并执行了批次吸附实验，系统考察了溶液pH值、吸附剂投加量、接触时间和初始染料浓度等操作参数对吸附效果的影响。最后，运用响应面方法论（RSM）中的CCD对实验进行设计和优化，并采用合适的动力学模型（如准一级、准二级）和等温线模型（如Langmuir、Freundlich）对吸附数据和机理进行拟合与分析。

1.1. Materials

研究使用的SF样品来自伊朗的Lorestan Ferroalloy Company，其主要成分为96.12%的SiO₂。表征结果显示，SF具有粗糙、多孔的球形颗粒结构（FESEM图像证实），这为其提供了丰富的吸附位点。FTIR光谱揭示了SF表面存在硅氧烷（Si–O–Si）和硅醇（Si–OH）等关键官能团，这些基团被认为是与染料分子发生相互作用的基础。

2.1. Adsorption method

研究通过批次实验评估了SF的吸附性能。染料浓度使用紫外-可见分光光度计在特定波长（MB为665 nm，BB-41为610 nm）下测定。吸附效率（R）和吸附容量（q）通过标准公式计算。CCD被用来设计实验矩阵，以最少实验次数高效研究多因素影响及其交互作用。

2.2. Adsorption study

单因素实验结果表明，pH值是影响吸附的关键因素。随着pH值从2升高到10，SF对两种染料的吸附容量显著增加，这归因于在高pH下SF表面负电荷增多，增强了与带正电的染料阳离子之间的静电吸引。吸附过程快速，BB-41和MB分别在20分钟和30分钟内达到平衡。吸附剂投加量的增加会提高去除率但降低单位质量吸附剂的吸附容量，这是由于活性位点未完全饱和及颗粒聚集所致。初始染料浓度的增加则由于提供了更强的传质推动力而提高了吸附容量。

2.3. Kinetics and isotherm study

平衡吸附数据更符合Freundlich等温线模型（R² > 0.99），表明SF表面是非均质的，发生了多层吸附。Langmuir模型也显示出很高的最大单层吸附容量，MB为189.31 mg/g，BB-41为108.95 mg/g，且分离因子R_L值在0-1之间，证实吸附是自发且有利的。动力学研究表明，两种染料的吸附过程均更符合准二级动力学模型（R² > 0.997），提示化学吸附（涉及电子共享或转移）是主要的速率控制步骤。

2.4. CCD design

通过CCD和方差分析（ANOVA），研究人员建立了预测吸附效率的二次多项式模型，并确定了最优操作条件。对于BB-41，最优条件为pH=10，吸附剂用量0.25 g，接触时间20分钟，初始浓度20 mg/L，预测去除率达97.12%。对于MB，最优条件为pH=9.81，吸附剂用量0.14 g，接触时间31分钟，初始浓度20 mg/L，预测去除率达98.94%。实验验证结果与模型预测高度吻合。

2.5. Comparison study

将本研究中未改性SF的吸附性能与文献中其他吸附剂（包括一些经过化学改性的硅基材料）进行比较，发现SF在吸附容量和去除效率方面表现出色，且无需复杂的改性步骤，凸显了其作为低成本吸附剂的巨大优势。

2.6. Future works

研究指出，未来工作需要关注SF在实际复杂废水环境中的性能（如竞争离子影响）、吸附剂的再生与循环使用、吸附机理的深入阐明（例如通过更先进的表征技术），以及将实验室规模的批次实验放大到连续流工艺中进行可行性评估。同时，进行生命周期评估和成本效益分析将进一步支撑SF作为一种可持续解决方案的可行性。

3. Conclusion

本研究成功证实了未改性硅灰（SF）是一种高效、可持续且低成本的吸附剂，可用于去除废水中的MB和BB-41染料。SF固有的多孔结构和表面化学特性（如硅醇基团）使其对阳离子染料具有高亲和力。吸附过程符合Freundlich等温线（多分子层吸附）和准二级动力学模型（化学吸附为主）。通过CCD优化获得了接近98%的高去除率。该研究的重要意义在于，它不仅为染料废水处理提供了一种性能优异且成本极低的吸附剂选择，而且完美契合循环经济理念，实现了工业副产品（硅灰）的高附加值资源化利用，为开发环境友好型水处理技术提供了新的思路和实验依据。