用于去除亚甲蓝的环氧氯丙烷交联壳聚糖-果胶生物复合材料：吸附动力学、等温线及热力学分析

《Total Environment Engineering》：Epichlorohydrin-Crosslinked Chitosan-Pectin Biocomposite for Methylene Blue Removal -Adsorption Kinetics, Isotherms, and Thermodynamic Insights

基于天然高分子材料合成高效吸附剂的研究，通过乙二醇-苯乙烯-甲基丙烯酸羟乙酯三元共聚物交联制备CPE生物复合珠，优化条件下对500 mg/L甲苯蓝染料的去除率达435.318 mg/g，吸附动力学符合Elovich模型，等温模型拟合优度最高。SEM表征显示多孔层状结构，FTIR证实含氮、氧及氯元素特征峰。CPE珠兼具高吸附容量与环保特性，为废水处理提供新策略。

　　本研究围绕一种新型的生物复合材料——Epichlorohydrin-Crosslinked Chitosan-Pectin（CPE）生物复合珠的制备及其对水溶液中甲基蓝（Methylene Blue, MB）染料的吸附性能进行了系统探讨。该材料以壳聚糖、果胶和表氯醇为原料，通过化学交联技术构建出具有高吸附能力的生物吸附剂，旨在解决传统染料去除方法中存在的一些问题，例如成本高、产生有害副产物等。研究不仅揭示了CPE珠的结构与性能之间的关系，还对吸附动力学和等温线模型进行了深入分析，为未来在水处理领域的应用提供了理论依据和实践参考。

甲基蓝是一种常见的合成阳离子染料，广泛应用于纺织、造纸和医疗等行业。然而，其在水体中的排放会带来严重的生态和健康风险。甲基蓝具有毒性、稳定性和难以生物降解的特性，使其成为水污染治理中的重点对象。因此，开发高效、经济且环保的吸附材料对于治理染料污染至关重要。在当前的水处理技术中，化学氧化、膜过滤、离子交换、光催化和电化学等方法被广泛使用。然而，这些方法往往伴随着较高的成本，或者会产生有毒的副产物，限制了其在实际应用中的推广。

鉴于此，研究人员不断探索天然材料作为吸附剂的可能性。壳聚糖作为一种天然的多糖，因其来源广泛、成本低廉、可生物降解和具有良好的化学稳定性而受到关注。壳聚糖通过部分脱乙酰化从甲壳类动物的壳中提取，其分子链中含有丰富的氨基和羟基等活性官能团，使其能够与多种染料分子发生相互作用。然而，壳聚糖的吸附性能仍存在一定的局限性，例如其吸附容量较低、机械强度不足以及在酸性条件下的稳定性较差。为了解决这些问题，研究者通常会对壳聚糖进行化学修饰或物理改性，例如将其转化为凝胶或纳米颗粒，或者通过交联技术增强其结构稳定性。

果胶是一种天然的酸性杂多糖，主要存在于陆地植物的初生细胞壁中。其分子结构主要由聚半乳糖醛酸链组成，含有大量的羧基官能团。这些羧基在水溶液中可解离为羧酸根，使果胶具有一定的负电荷特性。果胶的高亲水性和丰富的官能团使其在吸附过程中表现出良好的性能。特别是在与壳聚糖结合时，两者之间的电荷相互作用能够增强其吸附能力。这种结合不仅提高了材料的吸附效率，还增加了其表面的活性位点数量，从而为染料分子提供了更多的结合位点。

在本研究中，研究人员通过将壳聚糖和果胶进行交联，制备出一种新型的生物复合材料——CPE珠。表氯醇作为一种多官能团交联剂，能够与壳聚糖中的羟基发生反应，形成稳定的三维网络结构。这种交联不仅提高了材料的机械强度，还改善了其在水中的稳定性。更重要的是，交联过程能够增加材料的孔隙率，使其具有更大的比表面积，从而提升其对MB的吸附能力。研究表明，当使用表氯醇作为交联剂时，壳聚糖-果胶复合珠的结构更加紧密，形成了一种开放且相互连接的多孔结构，有利于染料分子的扩散和吸附。

为了进一步优化CPE珠的吸附性能，研究人员对多个实验参数进行了系统研究，包括初始MB浓度、pH值、吸附剂用量和接触时间等。实验结果表明，在初始MB浓度为50 mg/L、pH值为7.5、吸附剂用量为1.0 g/L以及接触时间为300分钟的条件下，CPE珠的吸附效果最佳。其中，当初始MB浓度达到500 mg/L时，CPE珠的最大去除效率和吸附容量分别达到了435.318 mg/g。这一数据表明，CPE珠在高浓度染料处理中依然表现出优异的吸附性能，显示出其在实际应用中的潜力。

在吸附机制方面，研究指出MB的吸附主要依赖于其与CPE珠表面活性官能团之间的静电相互作用。由于MB本身带有正电荷，而CPE珠中的果胶和壳聚糖则含有负电荷的羧酸根和氨基等官能团，这种电荷差异促进了MB分子与吸附剂之间的结合。此外，材料的多孔结构和高比表面积也为MB的扩散和吸附提供了有利条件。在实验过程中，研究人员还发现，未交联的壳聚糖-果胶珠在酸性条件下容易溶解，从而降低了其吸附效率。而通过表氯醇的交联处理，CPE珠在酸性环境中表现出良好的稳定性，这为其在实际水处理中的应用提供了保障。

为了评估CPE珠的吸附性能，研究人员采用了多种表征手段，包括扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析。SEM图像显示，CPE珠具有不规则的层状结构，表明其内部存在丰富的孔隙和表面凹凸。EDS分析进一步证实了CPE珠中碳、氮、氧和氯等元素的存在，说明其结构中确实包含了表氯醇交联所形成的化学键。这些表征结果不仅揭示了CPE珠的微观结构，还为其吸附性能提供了结构基础。

在吸附动力学和等温线模型的研究中，研究人员发现Elovich模型和R-P等温线模型能够较好地描述CPE珠对MB的吸附过程。Elovich模型适用于描述非线性吸附过程，而R-P等温线模型则适用于描述吸附过程中的化学反应机制。这两种模型的拟合结果表明，CPE珠对MB的吸附过程不仅涉及物理吸附，还包含了化学吸附的成分，这进一步解释了其高吸附容量的来源。此外，模型的拟合结果还揭示了吸附过程的速率和平衡特性，为后续的吸附机制研究提供了理论支持。

本研究还对CPE珠的制备工艺进行了详细探讨。在实验中，研究人员首先将壳聚糖溶解在3%的醋酸溶液中，随后加入果胶和表氯醇进行交联反应。通过调整反应条件，如温度、时间、交联剂浓度等，可以优化CPE珠的结构和性能。研究发现，交联剂的加入不仅增强了材料的机械强度，还提高了其在水中的稳定性。这种简单而高效的合成方法使得CPE珠的制备过程更加可控，同时也降低了生产成本，使其在实际应用中更具可行性。

从环境角度来看，CPE珠的制备过程无需使用有害化学品，符合绿色化学的原则。此外，由于其原料来源于天然生物材料，CPE珠在使用后也更容易降解，减少了对环境的二次污染。这种环保特性使其在水处理领域中具有较大的应用前景。特别是在工业废水处理中，CPE珠可以作为一种低成本、高效率的吸附材料，用于去除高浓度的MB染料。

综上所述，本研究成功制备了一种新型的生物复合材料——CPE珠，并验证了其在去除MB染料方面的优异性能。通过系统的实验设计和表征分析，研究人员不仅揭示了CPE珠的结构特点，还明确了其吸附机制和最佳操作条件。这些成果为未来开发高效的生物吸附材料提供了重要的理论依据和实践指导。同时，CPE珠的环保特性和经济性也使其在实际应用中具有广阔的前景，特别是在水污染治理和环保产业中。