石墨烯修饰氮化硼在去除水溶液中染料方面的高效性能：为纺织废水处理设计的建模与优化流程

《ACS Omega》：High Efficiency of the Graphene-Decorated Boron Nitride for Dye Removal from Aqueous Solution: Modeling and Optimization Process Designed for Textile Wastewater Treatment

本研究利用简易方法合成了石墨烯修饰的六方氮化硼（GBN）吸附剂，通过响应面法优化pH、吸附剂质量和初始浓度，最佳条件下GBN对MO的吸附容量达322.5 mg/g，去除效率99.51%，且经10次再生后性能稳定。表征显示GBN具有微孔和晶格结构，吸附机制包括离子交换、π-π相互作用及氢键作用。

　　本研究重点探讨了通过石墨烯修饰氮化硼（GBN）材料高效去除偶氮染料的应用，目标是解决纺织工业废水中的污染问题。通过一种简便的方法合成GBN，并采用XRD、SEM/EDS、TGA-DTA和BET等技术手段对材料进行了表征，结果显示该材料具有微孔结构和良好的结晶性。以甲基橙（MO）作为模型染料，通过响应面法（RSM）对吸附实验进行了优化，实验变量包括pH值、吸附剂用量和初始MO浓度。研究结果表明，pH值和吸附剂用量是影响MO去除效率的主要因素。在最佳条件（pH值为2，吸附剂用量为0.062克，初始MO浓度为100毫克/升）下，GBN在20分钟内达到了高达322.5毫克/克的吸附容量，并且在10次重复使用后仍能保持良好的性能。石墨烯与氮化硼的协同作用使得GBN成为一种具有广阔前景的材料，可用于高效的纺织废水处理。

纺织行业是全球最大的污染源之一，对环境造成了显著的负面影响。这种污染不仅涉及水资源的过度使用，还包含多种化学物质的排放。特别是合成染料，它们对水体资源的污染被广泛报道，对人类和动物的健康造成诸多问题。每年生产的8亿吨合成染料中，约有一半属于偶氮类，这类染料可能具有致癌特性。其中，甲基橙是一种典型的合成染料，具有阴离子性质和偶氮键（?N═N?）在芳香结构中，它对光化学过程和自然因素的降解具有较高的稳定性，因此在废水中去除甲基橙具有较大的挑战。其广泛使用可能导致水体污染，使处理废水呈现颜色。目前，用于去除水体中染料的水处理技术包括生物处理、混凝、沉淀、吸附、高级氧化工艺（AOPs）和膜分离等。其中，吸附技术因其设计简单、操作方便、运行成本低且不产生有毒副产物，成为最具吸引力的方法之一。近年来，一些研究使用活性炭、沸石、硅胶、氧化铝和石墨烯纳米片等吸附剂去除染料，但这些材料在处理偶氮染料时的效率仍有待提升。

为了进一步提高吸附效率，研究者开始探索石墨烯与其他材料的复合体系，如磁性材料、金属和陶瓷基材料。其中，六方氮化硼（h-BN）作为典型的陶瓷材料，因其良好的热传导性能、较大的比表面积和2D层状六边形结构而受到关注。这些特性使得氮化硼在吸附过程中提供了更多的活性位点，具有较强的吸附能力。然而，为了提高氮化硼的吸附效率，通常需要对其进行改性处理。石墨烯作为一种常用的改性材料，能够增强氮化硼的物理化学性能。近年来，一些研究尝试使用GBMs和氮化硼材料进行偶氮染料的去除，但尚未有工作系统研究基于氮化硼和石墨烯的复合材料在偶氮染料去除中的表现。

本研究通过响应面法对GBN材料的吸附性能进行了系统研究，使用中心复合设计（CCD）进行建模和优化，以研究实验参数对吸附效率的影响。通过Minitab 18软件设计实验矩阵，选取吸附剂质量、pH值和初始MO浓度作为主要变量。结果表明，吸附剂质量对MO去除效率的影响最大，其次是pH值和初始MO浓度。通过实验数据的分析，建立了基于这些变量的数学模型，并验证了其有效性。实验结果表明，在最佳条件下，MO去除效率达到了99.51%，这表明GBN材料在去除偶氮染料方面具有良好的应用潜力。同时，研究结果还表明，GBN材料在去除有机污染物方面相较于传统活性炭具有显著的碳足迹减少效果，因此能够吸引关注水处理、材料合成和污染治理的研究者和工业界。

本研究采用中心复合设计（CCD）和响应面法（RSM）对MO去除效率进行了优化，选取了吸附剂质量、pH值和初始MO浓度作为影响因素。通过实验设计，确定了这些因素对MO去除效率的显著影响。实验结果表明，吸附剂质量是MO去除效率的主要决定因素，其次是pH值和初始MO浓度。通过实验数据的分析，得到了基于这些变量的数学模型，并验证了其有效性。实验结果还表明，MO去除效率在初始MO浓度较高时表现出更强的吸附能力，且在较短的接触时间内即可达到较高的去除率。这说明GBN材料具有较高的吸附效率和良好的处理能力，特别是在高浓度的MO溶液中表现尤为突出。

为了进一步验证这些结果，研究者进行了再生实验，以评估GBN材料在工业规模上的可重复使用性。通过电化学AOP（高级氧化工艺）进行再生实验，使用碳毡作为低成本电极，对饱和吸附剂进行氧化处理，以去除MO。结果表明，经过10次重复使用后，MO去除效率仍然保持在较高水平，这表明GBN材料具有良好的可再生性和稳定性。此外，研究者还通过实验数据和数学模型验证了吸附效率的优化效果，确认了最佳吸附条件下的参数组合。

吸附动力学研究显示，MO在GBN材料上的吸附过程在前几分钟内迅速进行，随后趋于稳定。这表明MO与GBN材料之间存在较强的相互作用，且吸附过程主要受化学吸附控制。研究者还对吸附等温线进行了分析，以理解MO在GBN材料上的吸附机制。通过Langmuir、Freundlich和Temkin模型，研究者发现Langmuir和Temkin等温线能够更好地解释实验数据，表明MO在GBN材料上的吸附过程可能涉及单层和多层吸附。这些模型的高相关系数进一步验证了吸附过程的机理。

本研究的吸附机制表明，MO作为阴离子染料，可能通过离子交换与GBN材料表面的正电荷基团相互作用。此外，GBN材料的紧密六边形晶体结构可能促进MO分子与材料表面之间的π-π相互作用，从而提高其吸附能力。同时，材料表面的羟基（?OH）可能与MO分子形成氢键，进一步增强其吸附效果。此外，GBN材料的高比表面积和适当的孔径分布也为其吸附能力提供了重要支持。

再生实验的结果显示，GBN材料在多次使用后仍能保持较高的MO去除效率，这表明其具有良好的可重复使用性。电化学AOP的高氧化能力使得MO能够被有效去除，甚至完全降解。这种高氧化能力的来源是吸附过程中产生的羟基自由基，其具有较高的氧化电位，能够与MO分子发生反应。此外，GBN材料的化学惰性也为其可重复使用性提供了支持，使其能够在多次使用后仍保持较高的吸附效率。

本研究的结果表明，GBN材料在去除偶氮染料方面具有显著的优势。通过优化吸附条件，研究者能够实现较高的MO去除效率，并且材料的再生性能也表现出良好的稳定性。这些结果不仅为GBN材料在水处理领域的应用提供了理论支持，也为未来的研究和工业应用提供了参考。因此，GBN材料被认为是一种具有广泛应用前景的吸附剂，特别是在处理纺织工业废水方面。