利用从橙皮废弃物中提取的磁性活性炭-羧甲基纤维素水凝胶珠，在超声波辅助下去除氯吡硫磷

《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》：Ultrasound-Assisted Removal of Chlorpyrifos Using Magnetic Activated Carbon– Carboxymethyl Cellulose Hydrogel Beads Derived from Orange Peel Waste

本研究开发了一种基于羧甲基纤维素（CMC）和磁性橙皮活性炭（MAC）的复合水凝胶珠，通过超声辅助和磁性分离技术优化了氯吡虫啉的吸附效率，在最佳条件下实现近100%的去除率，再生循环8次后仍保持92%的效率，并表现出良好的稳定性和可重复使用性，为水处理提供了绿色高效解决方案。

　　氯吡rifos作为一种广泛应用的有机磷农药，因其在水体中的高残留性和毒性而成为环境和健康风险的重要关注点。随着全球人口的迅速增长，农业对农药的需求也不断上升，从而导致了这些化学物质在环境中的扩散和污染。为了应对这一挑战，研究人员开发了一种新型的吸附材料——基于羧甲基纤维素（CMC）的磁性活性炭复合水凝胶珠，该材料利用了柑橘皮废弃物制备的磁性活性炭（MAC），并在超声波辅助下实现了高效的氯吡rifos去除。

这项研究通过一系列实验，探索了该材料在不同条件下的吸附性能。实验中使用了多种分析手段，如傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、比表面积与孔隙度分析（BET）以及振动样品磁强计（VSM）等，以评估所合成材料的结构和性能。结果显示，30%磁性活性炭负载的CMC/MAC30复合材料在吸附过程中表现出近100%的去除效率，表明其在吸附能力方面具有显著优势。同时，该材料在八次吸附-解吸循环后仍能保持92%的去除效率，这表明其具有良好的可重复使用性，适用于实际的废水处理场景。

吸附过程的优化是本研究的一个关键部分。通过Taguchi方法，研究人员确定了最佳的吸附条件，包括初始氯吡rifos浓度为90 mg/L、吸附剂用量为2 g/L、接触时间为60分钟以及pH值为9。这些参数的选择旨在最大化吸附效率，同时确保材料的稳定性和可再生性。研究还探讨了超声波对吸附过程的影响，发现超声波的使用能够通过空化效应提高质量传递速率，从而缩短达到平衡的时间，并增强吸附能力。具体来说，超声波条件下的最大吸附容量从162.96 mg/g增加到211.86 mg/g，这一提升归因于空化现象促进了氯吡rifos分子更快速地接触到吸附位点。

吸附等温线模型分析显示，当使用超声波时，吸附过程更符合Toth模型，而无超声波条件下则更接近Sips模型。这表明，超声波可能改变了吸附机制，使其更倾向于在异质表面上进行多级吸附。此外，动力学研究揭示了超声波对吸附速率的影响，结果显示在超声波作用下，吸附过程主要由化学吸附主导，而无超声波时则以物理吸附为主。这一发现有助于理解吸附机制，并为材料的设计和优化提供理论依据。

热力学分析进一步揭示了吸附过程的自发性和能量变化。研究显示，吸附过程是放热的，标准焓变（ΔH°）为负值，说明吸附过程释放热量。同时，标准熵变（ΔS°）为负值，表明吸附过程使固液界面变得更加有序。标准吉布斯自由能变（ΔG°）在所有测试温度下均为负值，表明吸附在实验条件下是自发进行的。这些热力学参数的分析为评估材料在不同环境条件下的适用性提供了重要信息。

在实际应用测试中，研究团队评估了CMC/MAC30在模拟农业废水中的吸附能力。尽管在含有竞争离子的模拟废水中，氯吡rifos的去除效率有所下降，从100%降至约70%，但该材料仍展现出强大的吸附能力，这表明其在复杂环境下的稳定性和有效性。此外，与其他已报道的吸附材料相比，CMC/MAC30的吸附能力显著提高，显示出其在去除氯吡rifos方面的潜力。

本研究的创新点在于将超声波辅助吸附与磁性活性炭结合，这在基于CMC的水凝胶中尚未见报道。该材料不仅具备良好的吸附性能，还具有可再生性和环保性，能够有效减少对环境的二次污染。研究结果表明，CMC/MAC30是一种具有广泛应用前景的绿色吸附材料，适用于去除水体中的氯吡rifos。未来的研究可以进一步探索该材料在大规模应用中的表现，并将其拓展到其他有机污染物的去除领域。