基于枸杞叶介导绿色合成氧化锌纳米颗粒的台盼蓝光催化降解：Box-Behnken设计优化研究

《Results in Chemistry》：Plant mediated green synthesis of zinc oxide nanoparticles for photocatalytic degradation of trypan blue: Optimisation via box-Behnken design

本研究针对纺织印染废水中难降解偶氮染料台盼蓝(TB)造成的环境污染问题，采用枸杞叶提取物绿色合成氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)，通过Box-Behnken实验设计优化光催化降解工艺参数。研究成功制备出平均晶粒尺寸15nm的六方晶系ZnO NPs，在pH=6、催化剂剂量0.9g·L-1、TB浓度10mg·L-1条件下，50分钟紫外光照降解率达98.78%。该研究为纺织废水处理提供了绿色高效的解决方案，具有重要环境意义。

　　

随着纺织、印染等工业的快速发展，偶氮染料的大量使用导致水环境污染问题日益严重。台盼蓝(Trypan Blue)作为一种典型的偶氮染料，不仅广泛应用于生物染色领域，更因其在环境中难以降解的特性而成为持久性污染物。这类污染物在自然环境中长期存在，可通过食物链进入生物体，其代谢产物如邻甲苯胺和联苯胺衍生物已被证实具有致癌性和遗传毒性，对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。

传统的水处理方法如混凝、膜过滤和吸附工艺虽然有一定效果，但存在去除效率有限、能耗高、易产生二次污染等局限性。因此，开发高效、环保的水处理技术成为当前环境领域的研究热点。高级氧化工艺(AOPs)中的光催化技术因其能够将有机污染物彻底矿化为CO₂和H₂O等无害物质而备受关注。在众多光催化材料中，氧化锌(ZnO)因其独特的物理化学性质，如高比表面积、可调控的形貌和丰富的表面活性位点，成为极具潜力的光催化剂。

然而，传统的ZnO纳米颗粒合成方法如共沉淀法、溶胶-凝胶法等往往涉及有毒化学品、能耗高且可能对环境造成负面影响。绿色合成技术利用植物提取物中的生物活性成分作为还原剂和稳定剂，为纳米材料的可持续制备提供了新途径。枸杞作为一种传统药用植物，其叶片富含黄酮类和多酚类化合物，这些生物活性成分具有优异的抗氧化性能，可作为理想的绿色合成介质。

本研究旨在开发一种基于枸杞叶提取物的ZnO NPs绿色合成方法，并系统研究其在台盼蓝光催化降解中的应用性能。通过Box-Behnken实验设计对关键工艺参数进行优化，建立高效的染料废水处理体系，为纺织工业废水治理提供技术支撑。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用枸杞叶水提取物进行ZnO NPs的绿色合成；通过X射线衍射(XRD)分析晶体结构，扫描电子显微镜(SEM)观察形貌特征，傅里叶变换红外光谱(FTIR)鉴定表面官能团，紫外-可见光谱(UV-Vis)和光致发光光谱(PL)表征光学性能；采用Box-Behnken实验设计优化光催化降解参数；使用真实纺织废水样本进行实际应用验证。

3.1 ZnO NPs表征

通过XRD分析确认合成产物为纯相六方纤锌矿结构ZnO，平均晶粒尺寸为15nm。FTIR光谱显示枸杞叶提取物中的黄酮类和多酚类化合物参与了ZnO NPs的还原和稳定过程。SEM图像显示纳米颗粒呈准球形形貌，分布均匀。UV-Vis光谱在350-400nm处显示特征吸收边，对应的带隙能为3.1eV，PL光谱显示在384nm处的近带边发射和580nm处的缺陷相关发射，表明材料具有良好的光催化活性。

3.2 光催化性能测试

系统研究了pH值、催化剂投加量、染料初始浓度和反应时间对降解效率的影响。在pH=6、催化剂剂量1g·L^-1、TB浓度10mg·L^-1的最优条件下，40分钟降解率达到98.79%。动力学分析表明降解过程符合准一级动力学模型，速率常数为0.094min^-1，半衰期仅7.3分钟。降解机理主要涉及光生电子-空穴对产生羟基自由基(·OH)和超氧阴离子自由基(·O₂^-)等活性氧物种。

3.3 优化与统计分析

通过Box-Behnken设计建立了二次多项式模型，方差分析(ANOVA)显示模型极其显著(p<0.0001)，确定系数R²=0.9987。优化得到的最佳工艺参数为：pH=6.74，催化剂剂量0.63g·L^-1，TB浓度15mg·L^-1，反应时间52分钟，预测降解率98.718%。总有机碳(TOC)分析显示矿化率达到73%，表明染料被有效分解。

3.4 催化剂重复使用性

循环实验表明，ZnO NPs在连续使用5次后仍保持91.76%的降解效率，XRD分析证实催化剂结构稳定，具有良好的可重复使用性。

3.5 实际废水处理

将优化后的工艺应用于真实纺织废水处理，结果显示处理后废水的pH值从8.13降至6.4，电导率从10.25mS·cm^-1降至5.7mS·cm^-1，TOC从92.75mg·L^-1降至25.15mg·L^-1，化学需氧量(COD)从490mgO₂/L降至187mgO₂/L，证明该技术在实际应用中具有良好效果。

本研究成功开发了一种环境友好的ZnO NPs绿色合成方法，利用枸杞叶提取物作为还原剂和稳定剂，制备出具有优异光催化性能的纳米材料。通过响应面法优化建立的台盼蓝降解工艺，在较短时间内实现了染料的高效去除和部分矿化。催化剂表现出良好的稳定性和重复使用性，在实际废水处理中展现出应用潜力。该研究不仅为纺织染料废水的治理提供了新技术，也为绿色纳米材料的开发提供了新思路，对推动环境污染治理技术的可持续发展具有重要意义。研究成果发表于《Results in Chemistry》，为相关领域的研究提供了重要参考。