综述：吸附法去除水环境中甲基红染料的研究综述

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Adsorptive removal of methyl red dye from the aqueous environment: A critical review

本综述系统评述了吸附法去除水体中甲基红（MR）染料的前沿进展，重点分析了多种高效吸附剂（如Qmax达670 mg/g的水凝胶复合材料）的性能，揭示了静电作用、π-π相互作用等关键机制，为染料污染水体修复提供了理论依据和技术参考。

　　

摘要

工业排放导致的合成染料（如甲基红）污染是当前全球水环境面临的严峻挑战。甲基红作为一种典型的阴离子偶氮染料，因其环境持久性和潜在毒性而备受关注。生物与化学处理方法对这类复杂有机污染物的去除效果有限，而吸附技术凭借其成本效益高、操作简单和适应性强等优势，成为一种高效物理处理手段。本文综述了利用多种吸附材料（如水凝胶复合材料、金属有机框架复合材料、改性活性炭等）去除水中甲基红的最新研究进展，重点探讨了溶液pH、接触时间、温度和初始染料浓度等关键影响因素，并阐明了静电作用、π-π相互作用和氢键等主要吸附机制。此外，吸附剂通常可循环使用3–6次，展现出良好的实际应用潜力。

引言

工业活动在推动经济增长的同时，也使全球水资源面临日益复杂的污染物负担。其中，纺织、造纸、印刷和食品加工等行业排放的合成染料是一类难以处理的污染物。染料化合物即使浓度很低，也会使河流湖泊呈现不自然颜色，降低水质。染料分子对入射阳光的吸收和散射会严重削弱光线透射，引发溶解氧浓度下降，形成缺氧环境，威胁鱼类及其他需氧生物的生存。许多染料具有直接毒性，并能在生物体内富集，通过食物链逐级放大危害，最终危及生态系统韧性。

在众多合成染料中，偶氮染料因其广泛应用和独特的分子结构（含有一个或多个连接芳香环的偶氮键(-N=N-)）而尤为突出。其鲜艳的颜色和化学稳定性使其在全球染料市场中占据主导地位，但这也导致了其在环境中的持久性。更值得关注的是，偶氮染料及其部分降解产物（如芳香胺）常具有致癌、致突变或其他毒性，对通过饮水途径的人类健康和生态完整性构成显著风险。

甲基红，化学名称为2-(N,N-二甲基-4-氨基苯基)偶氮苯羧酸，是一种备受环境关注的阴离子偶氮染料。它广泛用作实验室酸碱指示剂和纺织加工助剂，常出现在工业废水排放中。其芳香骨架和偶氮键赋予的稳定性，使其对微生物降解和光化学分解具有抗性，难以从污染环境中去除。这种固有的顽固性导致甲基红在水生环境中持久存在，并能扩散至远离排放源的区域。因此，传统污水处理厂往往无法实现其完全去除，凸显了对专门设计用于消除此类顽固有机污染物的先进、可靠水处理技术的迫切需求。

尽管已有多种技术被研究用于染料去除，如化学氧化、混凝絮凝、膜过滤和生物法等，但它们各自存在局限性（如高成本、产生污泥、膜污染、速率慢等）。在此背景下，吸附法因其操作简单、成本效益高且对染料去除有效而成为广泛研究的处理策略。该过程通过物理或化学相互作用将污染物浓缩在固体材料表面，具有系统设计相对简单、能有效处理低浓度废水、可选用吸附剂范围广等优势。利用农业残留物和工业副产品等低成本前驱体制备吸附剂，不仅能降低处理成本，还促进了废物增值。吸附剂的再生和回用潜力进一步增强了过程的可持续性和长期经济可行性。这些需求刺激了新型吸附剂材料设计与评估领域的活跃研究。

吸附剂概述

应对水体中甲基红污染的持续挑战，推动了针对废水处理的广泛吸附剂材料研究。这些材料包括先进的工程结构，如金属有机框架（MOF）和定制聚合物复合材料，以及具有成本效益的天然材料及源自工业或农业副产品的吸附剂。特定材料对甲基红的吸附效率取决于其物理化学特性的复杂相互作用，如比表面积、孔结构、表面官能团以及吸附剂与染料分子之间的亲和力。

吸附条件概述

水处理中吸附过程的效率受到物理化学参数复杂相互作用的强烈影响。优化这些参数对于最大化污染物去除和确保吸附在实际应用中的经济可行性至关重要。溶液pH、接触时间、吸附剂投加量、温度和初始染料浓度等关键因素直接影响吸附平衡和动力学。此外，统计实验设计方法，如响应面法（RSM），已被用于系统评估这些变量及其相互作用对甲基红去除效率的影响。

吸附模型与 plausible 机制

全面理解吸附的调控机制，以及可靠的动力学和平衡行为数学模型，对于设计、优化和放大有效的甲基红去除系统至关重要。吸附动力学研究提供了染料吸附速率和达到平衡所需时间的重要数据，有助于识别速率限制步骤（如外传质、颗粒内扩散或表面反应）。吸附等温线描述了平衡时吸附质在吸附剂表面和溶液相之间的分布，揭示了吸附容量和吸附剂-吸附质相互作用的性质。为了阐明甲基红吸附到各种材料上的潜在机制，研究人员提出了几种相互作用，包括静电吸引/排斥、氢键、π-π堆积、疏水相互作用和离子交换。通常，多种机制协同作用，主导机制可能随溶液条件（特别是pH）而变化。

再生与可重用性

要使吸附成为大规模甲基红去除的可行方案，吸附剂的有效再生和回用至关重要。再生通过解吸捕获的染料来恢复吸附剂活性，从而实现多次回用循环。理想的再生策略应兼具效率、成本效益、对吸附剂的结构损伤最小，同时避免产生二次污染。表5总结了文献报道的用于甲基红负载吸附剂的再生方法，包括使用不同溶剂（酸、碱、有机溶剂）的解吸、高级氧化过程（AOPs）辅助再生、热再生和生物再生。评估指标包括再生效率、吸附剂在多次循环中的稳定性以及工艺经济性。

结论

从水中去除甲基红仍然是一个紧迫的环境挑战，而吸附已被证明是一种简单、经济高效且高效的处理策略。本综述重点介绍了多种吸附剂的开发与性能，包括来自生物质的活性炭和生物炭、磁性纳米复合材料、金属有机框架、聚合物水凝胶以及改性天然材料。其中几种吸附剂表现出卓越的性能，最大吸附容量（Q_max）超过400 mg/g。吸附过程受到pH、接触时间、温度和初始染料浓度等多种操作参数的显著影响，其机制主要涉及静电相互作用、π-π相互作用和氢键。吸附剂通常可成功再生多次（3-6个循环），保持了令人满意的性能。未来的研究应侧重于开发具有增强选择性、更高吸附容量和优异再生能力的先进吸附剂材料。探索低成本、可持续的前驱体和优化再生协议对于大规模应用至关重要。将吸附与其他处理技术集成可能提供协同效益，为修复甲基红污染水体提供强大而实用的解决方案。