利用稻壳衍生活性炭与PAMPS水凝胶复合材料进行环保型染料修复

《ACS Sustainable Resource Management》：Eco-Friendly Dye Remediation Using a Rice Husk-Derived Activated Carbon–PAMPS Hydrogel Composite

高效去除合成染料的PAMPS/RH-AC水凝胶复合材料制备及其机制研究。稻壳经热解和KOH活化制备高比表面积活性炭（23.51 m2/g），嵌入PAMPS水凝胶形成复合材料，通过ATR-IR、PXRD、HRTEM等证实其多级孔结构和sp2杂化碳网络。对罗丹明B（76%）、甲基蓝（87%）、偶氮红B（86%）的吸附动力学符合伪二阶模型，Langmuir等温线R2>0.94，归因于静电吸引（-SO??）和π-π堆积作用。通过正交实验优化发现，10 wt% PAMPS和10 wt% RH-AC时吸附效率最高，且材料经4次循环再生后仍保持66-76%去除率，兼具机械强度（G' > G''）和可重复使用性。

　　本研究致力于开发一种新型的环保材料，用于解决工业废水中合成染料污染的问题。合成染料因其毒性、难以生物降解以及对水体的视觉污染，已成为全球环境治理的重要挑战。为此，科研人员利用一种由稻壳衍生活性炭（RH-AC）嵌入聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸）（PAMPS）基质中形成的复合水凝胶，作为高效、可持续的染料去除材料。这种材料不仅能够有效吸附多种合成染料，还具有可回收性和成本效益，为工业废水处理提供了可行的解决方案。

稻壳是一种常见的农业废弃物，通过热解和KOH活化工艺，可以将其转化为具有高表面功能性的活性炭。该材料的制备过程经过了多步骤的优化，包括预处理、化学活化和后处理，最终在高温下进行热处理以提高其结构稳定性。通过一系列先进的表征技术，如衰减全反射红外光谱（ATR-IR）、粉末X射线衍射（PXRD）、拉曼光谱、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）、热重分析（TGA）和差热分析（DTA），研究人员对材料的物理和化学特性进行了深入分析。这些技术揭示了复合水凝胶的表面形态、孔结构以及功能基团的分布，从而明确了其在染料吸附中的作用机制。

PAMPS/RH-AC复合水凝胶的制备过程采用自由基聚合方法，形成了一种具有三维网络结构的水凝胶。该结构不仅提供了丰富的吸附位点，还增强了水分子的扩散能力，使得水凝胶在吸附过程中表现出较高的效率。研究结果显示，该复合水凝胶在24小时内对甲基蓝（MB）、伊红B（EB）和罗丹明B（RhB）的去除效率分别达到87%、86%和76%。这种高效的去除性能主要归因于强的π-π堆叠作用、静电吸引力以及水凝胶网络中分子扩散的增强。此外，研究还通过统计方法对三个关键变量进行了分析，包括AMPS的重量百分比（5-15%）、RH-AC的重量百分比（5-15%）以及吸附剂用量（5-20 mg），并对其对染料去除效率的影响进行了优化。

在吸附动力学研究中，结果表明吸附过程符合伪二级动力学模型和朗缪尔吸附等温线，其回归系数（R2）均达到0.94以上。这说明吸附主要通过单层化学吸附机制进行，且吸附过程具有较高的速率和容量。通过分析吸附等温线和动力学模型，研究人员进一步验证了该复合水凝胶在不同条件下的吸附性能，包括pH值和温度的变化。结果表明，该材料在pH值为7的中性条件下表现出最佳的吸附效果，而pH值的改变则会影响吸附剂与染料之间的相互作用，从而影响去除效率。

此外，研究还对材料的可再生性进行了评估。在相同的实验条件下，经过四次吸附-解吸循环后，该复合水凝胶对MB、EB和RhB的去除效率分别下降至76%、75%和66%。尽管存在一定的效率损失，但其仍能保持较高的再生能力，表明该材料具有良好的重复使用潜力。这种可再生性对于实际应用中的可持续性至关重要，尤其是在工业废水处理过程中，需要反复使用吸附材料以降低运行成本。

在材料的表征方面，研究通过ATR-IR光谱分析了不同RH-AC含量的复合水凝胶的表面功能基团变化。随着RH-AC含量的增加，O-H伸缩振动峰和C=O伸缩振动峰的强度逐渐降低，表明氧功能基团的减少和sp2碳网络的恢复。同时，C=C伸缩振动峰的强度增加，反映了材料中石墨化结构的增强。这些变化进一步确认了RH-AC在复合水凝胶中的作用，即通过其高比表面积和丰富的吸附位点，提高染料的去除效率。

PXRD分析结果显示，RH-AC样品的衍射图谱显示了尖锐的峰，表明其具有一定的结晶性，且部分石墨化结构。这些峰可能来源于残留的二氧化硅或石墨化域，进一步确认了材料的晶体结构特征。拉曼光谱分析则揭示了RH-AC的D、G和2D峰，这些峰反映了材料的结构有序性和石墨化程度。D/G峰的强度比（I_D/I_G）为0.97，表明材料中存在较高的缺陷密度和结构无序，这与PXRD分析结果一致。此外，HRTEM和SAED分析进一步确认了RH-AC中的纳米级石墨化结构，表明其具有良好的结构稳定性和吸附性能。

在水凝胶的机械性能分析中，研究通过流变学方法对PAMPS/RH-AC复合水凝胶的储能模量（G'）和损耗模量（G''）进行了评估。结果表明，储能模量始终高于损耗模量，说明该复合水凝胶具有良好的凝胶特性，且其三维网络结构在不同频率范围内保持稳定。这种结构稳定性对于实际应用中的动态流动条件至关重要，确保了水凝胶在废水处理过程中的机械强度和耐用性。

热重分析（TGA）和差热分析（DTA）进一步揭示了复合水凝胶的热降解行为。TGA曲线显示了多阶段的热降解过程，其中第一个阶段（低于150°C）对应于物理吸附水的蒸发，第二个阶段（200-350°C）则主要由酰胺功能基团和聚合物侧链的分解引起，标志着最大的质量损失。随后的热降解阶段（400-550°C）可能与PVA主链的断裂以及其他热稳定性有机成分的分解有关，而600°C以上的曲线趋于平缓，表明形成了热稳定性炭化残留。这些分析结果进一步确认了复合水凝胶的结构稳定性和热性能。

此外，研究还对水凝胶的膨胀行为进行了评估。结果显示，当AMPS含量较低时（5 wt%），水凝胶的膨胀率最高，达到4753 ± 111%，而随着AMPS含量的增加，膨胀率逐渐降低。这种行为可以归因于网络结构中交联点的减少，从而允许更多的水分子进入并提高膨胀能力。然而，当AMPS含量增加时，网络结构变得更加紧密，限制了水分子的渗透，导致膨胀率下降。这种趋势与以往的AMPS水凝胶研究结果一致，表明高浓度的AMPS会导致膨胀能力的降低。

在实际应用中，该复合水凝胶表现出优异的吸附性能，能够在24小时内高效去除多种合成染料。这种材料不仅能够适应不同类型的染料，还具有良好的选择性和可回收性，使其成为工业废水处理的理想选择。此外，该材料的制备过程利用了农业废弃物稻壳，实现了资源的循环利用，为环保和可持续发展提供了新的思路。

综上所述，本研究通过制备和表征PAMPS/RH-AC复合水凝胶，展示了其在合成染料去除方面的潜力。该材料不仅具有高吸附效率和良好的结构稳定性，还表现出优异的机械性能和可再生性，为工业废水处理提供了一种高效、经济且环保的解决方案。通过结合农业废弃物的利用与高性能吸附材料的开发，该研究为实现水资源的可持续利用和环境保护做出了重要贡献。