使用生物吸附剂从三苯甲烷染料的水溶液中对其进行吸附去除

《International Journal of Phytoremediation》：Adsorptive removal of a triphenylmethane dye from its aqueous solutions using a biosorbent

紫精染色废水的高效生物吸附去除研究。采用废弃鸡毛作为吸附剂，系统考察pH、染料浓度、吸附剂用量及接触时间对吸附性能的影响，发现pH8.0、2.4×10-5M浓度、0.02g/20ml吸附剂用量和75min接触时间为最优条件。通过Langmuir、Freundlich等六种等温模型验证，Langmuir和Freundlich模型拟合最佳（R2>0.99），表明存在单层吸附及后续多层吸附过程。热力学分析显示ΔG°（-23.34至-17.01kJ/mol）和ΔH°（-15.15至-17.01kJ/mol）均负值，证实吸附自发且为放热物理吸附过程。动力学研究表明伪二阶模型（R2>0.99）更符合实际吸附速率。鸡毛兼具废弃物资源化利用和污染治理双重效益，吸附容量达285.6mg/g（40℃），显著优于15种其他吸附剂。

　　本研究聚焦于一种常见的有害三苯甲烷染料——结晶紫（Crystal Violet, CV）在水溶液中的有效去除，采用了一种常见的生物废弃物——鸡毛（Hen Feathers, HF）作为生物吸附剂。通过系统研究吸附过程的影响因素，如接触时间、吸附剂用量、染料浓度和溶液pH，验证了鸡毛在去除结晶紫方面的潜力。结晶紫作为一种广泛应用于纺织、制药、食品加工和化妆品等行业的染料，因其具有高毒性和难以降解的特性，已成为水污染的主要来源之一。研究表明，使用鸡毛作为吸附剂不仅具有成本效益，而且能够有效处理废水，减少有害副产物的产生，从而为环境治理提供了一种可行的解决方案。

结晶紫是一种具有较强亲脂性的化合物，可通过皮肤接触、眼睛暴露、吸入和摄入进入人体，对健康造成严重威胁。长期暴露可能导致恶心、呼吸困难、疼痛、皮肤刺激和皮疹，甚至引发肺部积液和严重眼损伤。此外，结晶紫在环境中难以降解，可能对水生生物和人类产生致突变和致癌效应。因此，去除结晶紫对于保护生态环境和人类健康具有重要意义。而鸡毛作为一种普遍存在的废弃物，不仅容易获得，而且具有较高的吸附能力，这使得其成为一种极具潜力的吸附材料。

本研究中，鸡毛经过清洗、消毒和处理后，被用于吸附结晶紫。实验过程中，通过调整溶液pH值、染料浓度、吸附时间以及吸附剂用量，对吸附效果进行了详细分析。结果显示，在pH值为8时，结晶紫的去除效率最高，达到95.25%。这一结果与鸡毛表面电荷特性和结晶紫的化学性质密切相关。当pH值低于6.8时，鸡毛表面带正电，可能与结晶紫的质子化形式发生静电相互作用，从而降低吸附效率；而当pH值高于6.8时，鸡毛表面带负电，此时结晶紫的去质子化形式更容易与吸附剂结合，因此吸附效率显著提高。此外，随着吸附剂用量的增加，吸附效率也随之提高，表明吸附过程受到吸附剂表面活性位点数量的影响。

在吸附动力学研究中，本研究采用了伪一阶和伪二阶模型来描述结晶紫在鸡毛上的吸附行为。结果表明，伪二阶模型能够很好地拟合吸附过程，且在所有测试温度下均表现出较高的拟合度。这说明吸附速率与吸附剂表面活性位点的浓度平方成正比，表明吸附过程可能涉及化学吸附或表面反应。同时，吸附等温线研究发现，结晶紫在鸡毛上的吸附主要遵循Langmuir和Freundlich模型。Langmuir模型表明吸附过程可能发生在单层结构上，而Freundlich模型则表明吸附过程发生在不均匀表面上，进一步支持了吸附行为的多样性。

从热力学角度分析，结晶紫在鸡毛上的吸附过程被证实为放热和自发的。ΔH°值为负，表明吸附过程释放热量；ΔG°值也为负，表明该过程在标准条件下自发进行。ΔS°值为正，意味着吸附过程中系统的混乱度增加，这通常与物理吸附过程相关。这些热力学参数的变化趋势表明，结晶紫在鸡毛上的吸附主要由物理吸附机制主导，而非化学吸附。此外，吸附过程的热力学特性在不同温度下有所变化，但总体上仍然支持物理吸附的结论。

吸附过程的可行性评估还采用了分离因子（r）进行分析。该参数用于判断吸附过程是否有利。研究结果表明，r值在所有测试温度下均小于1，进一步确认了结晶紫在鸡毛上的吸附行为是可行且有利的。此外，通过非线性回归分析，比较了不同吸附等温线模型的拟合效果，发现Langmuir模型在所有温度下的拟合度最高，其次是Freundlich模型，这表明吸附过程在不同条件下具有一定的可预测性和稳定性。

为了进一步验证吸附过程的机理，本研究还探讨了吸附过程的扩散机制。通过绘制时间平方根（t?）与吸附量（q?）的曲线，发现吸附过程主要由表面吸附主导，而非颗粒内部扩散。这表明吸附过程可能发生在鸡毛的表面，且其结构特性（如复杂的分支结构和竹子状结构）有助于提高吸附效率。此外，研究还指出，由于鸡毛具有针状结构，传统的颗粒扩散模型可能不适用于该吸附系统。

在吸附能力的比较研究中，鸡毛表现出比其他多种吸附剂更高的结晶紫去除能力。实验数据表明，鸡毛在40°C时的吸附能力达到峰值，显示出在一定温度范围内的最佳吸附性能。这一结果表明，鸡毛不仅具有高效的吸附能力，而且在特定条件下表现出优越的吸附性能。与传统的吸附剂相比，鸡毛具有成本低、来源广泛、易于处理和可重复使用等优点，因此在实际应用中具有显著优势。

本研究的意义在于，通过将鸡毛这种常见废弃物转化为有效的吸附剂，不仅解决了废弃物处理的问题，还为水污染治理提供了一种可持续的方法。同时，通过系统研究吸附过程的机理和影响因素，为今后的吸附技术开发和优化提供了理论依据和实践指导。这种利用常见生物废弃物进行水处理的方法，具有广泛的推广前景，特别是在资源有限的地区，能够有效降低处理成本并减少环境污染。

综上所述，本研究揭示了鸡毛在去除结晶紫方面的潜力，为废水处理技术提供了一种新的思路。通过优化吸附条件，如pH值、吸附剂用量和接触时间，能够显著提高吸附效率。同时，吸附过程的机理分析表明，该过程主要由物理吸附主导，且在不同温度下表现出良好的热力学特性。因此，鸡毛作为一种环保且高效的吸附材料，具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探索鸡毛在不同废水条件下的适用性，并评估其在实际环境中的吸附性能。此外，还可以研究其他类型的染料是否适用于该吸附系统，以扩大其应用范围。