胺基/砜基共价有机聚合物吸附去除Orange II染料：中心复合设计优化及其在水处理中的应用

本研究针对水体中Orange II染料污染问题，系统探讨了胺基/砜基共价有机聚合物（COP）的吸附性能。研究人员采用中心复合设计（CCD）和响应面法（RSM）优化了吸附条件，在最优参数（吸附剂0.09 g，染料浓度69.3 mg/L，时间78.4 min，pH 7.2）下实现了99.3%的去除率。吸附过程符合准一级动力学模型和Langmuir等温线，最大吸附容量达51.5 mg/g。该研究为高效去除水体染料污染物提供了新材料和新方法，具有重要的环境应用价值。

　　

随着全球工业化进程的加速，水污染问题日益严峻，其中染料废水对水生态环境和人类健康构成了严重威胁。每年有大量工业染料被排入水体，这些有色污染物不仅降低水质，还会产生毒性、致癌和致突变效应，给环境带来不可逆的损害。在众多水处理技术中，吸附法因其操作简便、成本低廉而备受关注，但开发高效、稳定的新型吸附材料仍是当前研究的重点。

在这一背景下，研究人员将目光投向了共价有机聚合物（COPs）这一新兴多孔材料。这类材料具有可设计的孔道结构和表面官能团，在吸附领域展现出巨大潜力。发表于《Desalination and Water Treatment》的研究论文"胺基/砜基共价有机聚合物吸附去除Orange II染料：中心复合设计优化"正是针对这一挑战展开的系统研究。

为评估胺基/砜基共价有机聚合物对Orange II染料（OD）的去除性能，研究团队采用多种表征技术（X射线衍射XRD、傅里叶变换红外光谱FT-IR、比表面积分析BET和场发射扫描电镜FESEM）对材料进行系统分析，并通过中心复合设计（CCD）方法优化实验参数，利用响应面法（RSM）分析各因素对去除效率的影响。

3.1. 材料特性表征

通过XRD分析发现，聚合物在2θ = 20°和46°处出现特征衍射峰，表明材料具有无定形结构和有限的结晶有序性。FESEM图像显示材料呈现块状但相对平坦的形貌，由均匀分布的球形颗粒聚集而成。EDS能谱证实材料含有C、N、O、S和Cl元素，元素映射显示各元素分布均匀，表明合成过程成功。FT-IR光谱在3410和3345 cm^-1处显示N-H键伸缩振动峰，1265和1160 cm^-1处为S=O键特征峰，证实了胺基和砜基官能团的存在。BET分析表明材料比表面积为32.94 m²/g，总孔容为0.0399 cm³/g，平均孔径为4.85 nm，属于介孔材料。

3.2. 多孔聚合物吸附剂效率测定

通过CCD设计的34组实验结果表明，各参数对OD去除效率的影响顺序为：接触时间 > 吸附剂剂量 > 染料浓度 > pH。方差分析显示模型具有高度显著性（p < 0.0001），确定系数R² = 0.92，调整后R² = 0.86，失拟值为0.067，表明模型拟合良好。

3.3. 染料浓度和接触时间的影响

随着接触时间延长，OD去除率增加；而随着染料浓度增加，去除率下降。在65分钟接触时间和50.5 mg/L染料浓度下达到最大去除率。

3.4. 染料浓度和吸附剂剂量的影响

吸附剂剂量增加显著提高去除效率，而染料浓度增加则降低效率。在0.1 g吸附剂剂量和50.5 mg/L染料浓度下观察到最佳效果。

3.5. 染料浓度和pH的影响

在酸性和碱性条件下，去除率随染料浓度增加而增加；而在pH 4-8范围内，去除率随浓度增加而下降。pH=3时获得最高去除率。

3.6. 吸附剂剂量和pH的影响

吸附剂剂量对去除效率影响显著，而pH影响相对较小。在0.1 g剂量和pH=7时达到最佳效果。

3.7. 吸附剂剂量和接触时间的影响

长时间接触下，增加吸附剂剂量对去除率提升更为明显。在65分钟和0.1 g剂量下获得最佳效果。

3.8. pH和接触时间的影响

接触时间是主要影响因素，pH影响较小。在65分钟和pH=3时获得最高去除率。

3.9. 变量优化

通过响应面法优化得到最佳条件：吸附剂剂量0.09 g，染料浓度69.3 mg/L，接触时间78.4分钟，pH=7.2，此时去除效率达99.27%。

3.10. OD吸附动力学

准一级动力学模型（R² = 0.9506）比准二级模型（R² = 0.9083）更能描述吸附过程，表明吸附受边界层扩散控制。

3.11. OD吸附等温线

Langmuir等温线（R² = 0.9582）比Freundlich和Temkin模型更适合描述吸附行为，表明为单分子层吸附。最大吸附容量为51.546 mg/g，R_L参数（0.2536）表明吸附过程有利。

3.12. OD吸附热力学

热力学参数ΔG = -595 J/mol，ΔH = -1247 J/mol，ΔS = -2.3 J/mol·K，表明吸附为自发、放热过程。

3.13. 吸附机制

主要吸附机制包括：胺基/砜基与染料间的氢键作用、芳香环间的π-π堆积作用以及范德华力等次级作用。

3.14. 吸附后FT-IR和FESEM研究

吸附前后FT-IR光谱无明显变化，表明吸附剂化学结构稳定。FESEM显示吸附剂表面形貌保持完整，进一步证实材料稳定性。

3.15. 与既往研究比较

与其它共价有机框架（COFs）和共价有机聚合物（COPs）相比，本研究材料在中性pH条件下表现出 competitive 的吸附性能，且合成简便，具有实际应用潜力。

本研究系统证明了胺基/砜基共价有机聚合物作为高效吸附剂用于Orange II染料去除的可行性。通过中心复合设计优化，明确了各操作参数的影响规律，建立了可靠的预测模型。材料表征证实其具有适宜的孔结构和表面官能团，吸附过程符合准一级动力学和Langmuir等温线，最大吸附容量达51.5 mg/g。吸附机制主要涉及氢键、π-π堆积和范德华力等物理作用。该研究为开发高效染料废水处理材料提供了新思路，对水环境保护具有重要意义。