经过双重改性的托贝莫莱石（含有碳和氧化镁），可用于吸附甲基橙和亚甲蓝

《Micron》：Dual-modified tobermorite with carbon and magnesium oxide for adsorbing methyl orange and methylene blue

本研究通过碳和氧化镁纳米粒子协同改性托贝莫来石，成功制备新型吸附剂TCM。实验表明，TCM比表面积较未改性材料提高8倍，对甲基橙（MO）和甲基蓝（MB）的吸附效率分别达82.54%和接近100%。吸附动力学显示MO在1小时内达平衡，MB需48小时。热力学和吸附机理研究表明TCM通过静电吸引、氢键、表面络合及孔道填充等多机制协同作用，且对实际废水有良好适应性。该研究为利用建筑废料AAC制备高效环保吸附剂提供了新思路。

　　这项研究中，研究人员成功合成了一种新型吸附剂——tobermorite/carbon/MgO（TCM）。这种吸附剂通过将碳和氧化镁纳米颗粒双重修饰到tobermorite上，以期将tobermorite的结构优势与氧化镁的高反应性和碳的多孔性相结合。与未经修饰的tobermorite相比，TCM复合材料的比表面积显著提升，达到了8倍的增长，从47.56 m2/g增加到386.52 m2/g。同时，其对甲基橙（MO）和亚甲基蓝（MB）这两种阳离子和阴离子染料的去除效率也大幅提升，分别从7.14%和43.66%提高到了82.54%和接近100%。吸附动力学研究表明，MO在1小时内即可达到吸附平衡，而MB则需要48小时。这表明TCM在吸附速度和容量方面具有显著优势。此外，TCM在广泛的pH范围内、实际水体环境中以及多次再生循环中均表现出优异的性能。尽管两种染料的吸附动力学均符合拟二级动力学模型，但平衡数据则分别被Langmuir等温模型和Freundlich等温模型最佳拟合。综合表征结果确认，吸附机制主要涉及静电吸引、氢键作用、表面络合以及孔隙填充。这些发现不仅确立了TCM作为去除阴离子和阳离子染料的多功能、高性能吸附剂，还为后续利用废加气混凝土（AAC）这一富含tobermorite的建筑废弃物提供了基础理论支持。

染料广泛应用于多个行业，如纺织和皮革制造中的着色、印刷行业中的油墨喷射以及造纸行业中的质量与外观改善。中国作为全球最大的染料生产与供应国，年产量约为854,000吨，占全球总产量的约70%。通常情况下，大约10–20%的染料无法被充分利用，直接排放到水体中。例如，中国每年排放的含染料废水超过18.4亿吨。染料大多为天然或合成有机物，含有苯、萘、蒽、醌等芳香结构，这些结构容易转化为具有致突变性、致畸性和致癌性的物质。由于其强颜色、高毒性和低可降解性，含染料废水被认为是工业废水中最不理想的类型之一。因此，开发先进的处理技术是减轻染料污染物对水生态系统和人类健康生态毒性的关键任务。

为了消除工业废水中染料，已经采用了多种治理策略，包括物理（物理吸附、离子交换、凝聚、辐照、膜分离等）、化学（化学吸附、电化学、芬顿反应、臭氧氧化等）和生物（藻类、细菌、真菌、分离酶等）过程。这些技术无疑具有各自的优势，但往往也存在一些局限，如去除能力不足、对极端pH条件适应性差、产生二次污染物以及需要特定设备等。在实际应用中，这些技术常常被结合使用，以实现更经济高效的染料去除。其中，吸附技术因其操作简便、能耗低、效率高而受到广泛关注。吸附机制可能涉及范德华力、极性相互作用、氢键，甚至更强的离子或共价键。吸附性能主要由吸附剂的比表面积、孔隙结构和理化特性决定。目前，已经广泛研究了多种吸附剂，如黏土材料（沸石、层状双氢氧化物、蒙脱石等）、碳材料（活性炭、生物炭、石墨碳、碳纳米管等）以及金属有机框架（TiO?/有机硅烷、Co-HDIPT、ZIF-67@木材等）用于染料去除。然而，许多吸附剂仍存在一些不足，如成本高、效率低和可重复使用性差。因此，开发具有高性价比和吸附能力的新吸附剂对于实现废水处理的更大经济效益至关重要。

tobermorite [Ca?Si?O??(OH)?·nH?O] 是一种结晶性水合钙硅酸盐，正逐渐从传统的建筑材料和隔热材料发展为功能材料，如用于纸张、橡胶和塑料的填料，用于废水处理的吸附剂，以及用于空气净化的材料。通常，tobermorite 可通过简单的水热法在 Ca/Si 摩尔比为 0.8–2.0 的条件下合成。基于 Dreierketten 模型，tobermorite 具有层状结构，由 Si-O 四面体链、Ca-O 八面体层以及含有活性 Ca2? 离子和水分子的特殊夹层组成。由于其高比表面积和可交换的 Ca2? 离子，tobermorite 及其改性材料在去除磷酸盐和重金属方面表现出显著潜力，其作用机制包括表面沉淀、络合、离子交换和物理吸附等。然而，关于其对有机染料吸附能力的研究仍较为有限，这突显了进一步研究的重要性。此外，废加气混凝土（AAC）是一种大量产生的建筑废弃物，其主要晶相为 tobermorite。据估计，到2030年，废 AAC 将构成中国30亿吨建筑废弃物中的10–15%，主要原因是其高破碎率（约15%）。因此，这项研究旨在通过合成的 tobermorite 探索其基本的去除机制，从而为管理这一庞大的废弃物流奠定基础。

值得注意的是，Ca2? 和 Mg2? 离子已被报道对染料的溶解性和聚集性产生影响，基于 Ca 或 Mg 的吸附剂在染料去除方面表现出良好的性能。例如，Bessadok-Jemai 等人 [40] 开发了一种 CaO@MgO@g-C?N? 复合材料，对孔雀绿（1182 mg/g）和刚果红（1791 mg/g）染料表现出高吸附容量。同样，Chatla 等人 [41] 制备了 Mg-Ca-Al 混合氧化物，对 Eriochrome Black T 的最大吸附容量达到了150.3 mg/g。此外，氧化镁纳米颗粒因其高表面反应性、丰富的活性位点以及能够通过静电和表面络合机制与染料分子相互作用，被广泛认为是高效的多功能吸附剂。然而，氧化镁纳米颗粒的实际应用往往受到其易聚集和在水环境中稳定性差的限制。Liu 等人 [45] 指出，将氧化镁纳米颗粒固定在壳聚糖或介孔碳上可以显著提升其吸附性能和结构稳定性。这些研究结果共同表明，将氧化镁和碳引入 tobermorite 是提升其染料吸附能力的一种有前景的策略。

在本研究中，选择了甲基橙（MO）和亚甲基蓝（MB）作为模型污染物，分别代表阴离子和阳离子染料。尽管存在许多其他染料污染物，但 MO 和 MB 的显著离子特性和明确的化学性质使它们成为在不同条件下评估材料吸附性能的理想基准化合物。此外，它们在工业中的广泛应用以及在废水中的频繁检测，加上对它们环境持久性和潜在毒性的担忧，进一步凸显了其去除的重要性。

首先，本研究探讨了原始 tobermorite 对 MO 和 MB 的吸附潜力。随后，为了提高其吸附性能，通过将碳和氧化镁纳米颗粒双重修饰 tobermorite，形成了新型的 tobermorite/carbon/MgO（TCM）复合材料。这种修饰策略将 tobermorite 的结构优势与氧化镁的高反应性和碳的多孔性相结合。研究人员假设这些成分之间的协同效应将通过多种机制提升染料的吸附能力。TCM 的吸附性能在多种条件下进行了系统评估，包括吸附时间、TCM 剂量、溶液 pH、初始 MO/MB 浓度以及浴温。此外，吸附动力学、等温线和热力学特性也进行了分析，以阐明其作用机制。TCM 的实际应用性还通过再生实验和探索废加气混凝土作为低成本 tobermorite 源进行了评估。这项研究为设计高性能、基于 tobermorite 的吸附剂用于含染料废水处理提供了新的见解。