甲基橙与银纳米颗粒及阳离子表面活性剂的聚集与吸附

《Journal of Molecular Liquids》：Aggregation and adsorption of methyl orange with silver nanoparticles and cationic surfactant

甲基橙（MO）与阳离子表面活性剂DTAB及银纳米颗粒（AgNPs）的相互作用研究表明，MO通过静电和疏水作用形成稳定复合物，并发生自身聚集。基于提取纤维素（EC）合成的AgNPs/EC/DTAB生物吸附剂，在pH=7、25℃时对MO的最大吸附量为66.66 mg/g，吸附动力学符合伪二级模型，Langmuir等温线模型最佳，热力学计算显示吸附为自发、放热的 favorable过程。该材料兼具低成本、环保性和高效性，适用于废水处理。

　　本研究探讨了甲基橙（MO）染料与阳离子表面活性剂（DTAB；十二烷基三甲基氯化铵）及银纳米颗粒（AgNPs）在水溶液中的相互作用。通过紫外-可见光谱分析，研究者观察到MO的自聚集现象，其依据是463 nm处吸收带的收缩。当表面活性剂浓度增加时，吸收光谱的形状发生变化，但最大吸收波长保持不变。研究结果显示，所形成的MO-表面活性剂复合物的化学计量比约为1:1，而较大的高波长吸收则被归因于MO的H-聚集体。AgNPs表面的正电荷可能有助于MO-AgNPs复合物的稳定，因为两者之间存在强烈的静电相互作用。

研究进一步开发了一种由DTAB和AgNPs组成的纳米复合生物吸附剂，该吸附剂通过从植物草类（Stipa Tenacissima）中提取的纤维素（EC）进行合成。这种材料旨在提高对MO染料的吸附能力，特别是在废水处理中的应用。MO的吸附机制通过物理化学表征手段（包括FTIR、XRD、SEM和TEM）以及统计物理计算进行了分析。研究发现，在中性pH值和25°C的条件下，MO的吸附量达到了66.66 mg/g，这表明该吸附过程具有较高的效率。此外，伪二级动力学模型和Langmuir等温模型被证明是描述MO吸附数据的最佳模型。热力学计算确认了该吸附过程是放热的、有利的和自发的。

总体而言，AgNPs/EC/DTAB纳米复合生物吸附剂系统是一种成本效益高、环保的材料，具有在废水处理中广泛应用的潜力。该系统不仅能够有效去除MO染料，还可能在其他污染物的处理中发挥重要作用。此外，由于MO是一种阴离子和亲水性染料，其在水溶液中的行为受到pH值的影响。MO分子中含有–N=N–和–N(CH?)?基团，使得其在水溶液中存在两性离子形式和阴离子形式的平衡。当pH值等于pKa时，溶液中酸性和碱性形式的浓度相等。

为了确定MO在水溶液中的pKa值，研究者测量了3.05×10?? mol/L MO溶液在不同pH值下的吸收光谱。该实验在300至800 nm的波长范围内进行，结果显示了MO在不同pH条件下的吸附行为变化。此外，研究还探讨了MO与DTAB在亚胶束水溶液中的相互作用，以及AgNPs与MO之间的结合机制。通过紫外-可见光谱、荧光光谱和理论计算分析，研究者确认了MO在水溶液中的自聚集行为及其与AgNPs之间的相互作用。

在实验过程中，研究者使用了化学方法合成AgNPs，其中AgNO?作为前驱体，NaBH?作为还原剂。DTAB作为一种阳离子表面活性剂，其分子结构由一个极性亲水基团和一个非极性疏水链组成。DTAB的临界胶束浓度（CMC）约为15.3 mM，当浓度低于CMC时，其以单体形式存在；当浓度高于CMC时，则形成胶束。通过DTAB的改性，使复合材料表面带有正电荷，从而对阴离子污染物的吸附更加有利。

此外，研究还探讨了MO吸附的物理化学特性及其在不同条件下的行为。通过统计物理模型分析，研究者能够更好地理解MO吸附的机制和吸附过程中的几何结构。研究结果显示，MO的吸附行为受到多种因素的影响，包括pH值、温度、吸附剂的表面特性以及MO分子的结构特性。在实验过程中，研究者使用了从植物草类中提取的纤维素作为吸附剂的基础材料，这种材料具有天然来源、成本效益高、可生物降解等优点。

综上所述，本研究通过系统性的实验和分析，探讨了MO染料与阳离子表面活性剂和AgNPs之间的相互作用，以及AgNPs/EC/DTAB纳米复合生物吸附剂在MO吸附中的应用。研究结果表明，该材料在MO吸附中表现出较高的效率和良好的吸附性能，具有在废水处理中的应用潜力。此外，通过光谱分析和物理化学表征，研究者能够更好地理解MO在不同条件下的吸附行为和其与吸附剂之间的相互作用机制。这些发现不仅有助于开发更高效的染料吸附材料，还为未来的环境治理研究提供了重要的理论基础和实践指导。