通过化学改性提高Saussurea lappa木质纤维素废物的吸附效率，以吸附和解毒结晶紫染料

《International Journal of Cardiology Congenital Heart Disease》：Mechanistic study to enhance sorptive efficiency of Saussurea lappa lignocellulosic waste by chemical modification to detoxifying crystal violet dye by adsorption

水晶紫染料生物吸附研究：以改性的Saussurea lappa木质纤维素为吸附剂，通过酸碱及有机改性提升其吸附性能，最大吸附量达33.752 mg/g（Langmuir模型），动力学显示内扩散主导，证实农业废弃物改性的环保可行性。

　　

Rabia Rehman|Muhammad Rashid|Mehwish Akram|Amara Dar|Zahrah T. Al-thagafi|Reem I. Alsantali|Maha E. Al-Hazemi

旁遮普大学化学学院，拉合尔，54590，巴基斯坦

摘要

结晶紫染料能够在多种条件下存活，不易被细菌分解，被认为是一种难以处理的分子，并且具有致癌性。在本研究中，使用酸（SL-HCl）和碱（SL-NaOH）、乙醇（SL-E）及EDTA（SL-EDTA）对Saussurea lappa的木质纤维素材料进行了化学改性，然后通过FTIR、SEM、TGA和DSC分析对其特性进行表征后，将其用于结晶紫（CV）染料的植物修复吸附去除。在最佳条件下，应用Langmuir吸附等温模型对SL、SL-HCl、SL-EDTA、SL-E和SL-NaOH的平衡数据进行了分析，得到的最大吸附容量分别为：33.752、9.924、10.795、11.16和10.891毫克/克。动力学模型表明，SL对CV染料的去除适用内颗粒扩散模型。研究结果表明，Saussurea lappa的木质纤维素废弃物可以作为可行的生物材料。

引言

水对生活的各个方面都至关重要，包括饮用、农业、个人清洁、生产和能源领域。遗憾的是，由于过度捕捞和全球人口增长，世界淡水供应的威胁正在增加[[1], [2], [3]]。几十年来，油漆、纺织品和颜料的制造商一直在大量使用染料[4]。纺织过程中会排放大量染料废水，占所有工业水污染的17-20%[5]。大约10%到15%的染料被排放到环境中，使废水呈现出强烈的颜色和难看的外观[6]。即使是在非常少量的情况下，也只有染料能够用肉眼观察到[7,8]。染料的后果可能是急性的或慢性的，这取决于其种类、数量和暴露时间[[9], [10], [11]]。染料可能导致皮肤疹、呼吸系统疾病、心理健康问题、呕吐，在许多情况下还可能致癌[[12], [13], [14]]。本研究中使用的结晶紫染料广泛用于纺织品、纸张、陶瓷的染色以及微生物检测中的生物染色[15,16]。它给油漆和印刷油墨带来浓郁的紫色，并常用于棉、羊毛、尼龙、丝绸、塑料和石化产品的紫色染色。这种染料能够在多种条件下存活，不易被细菌分解，被认为是一种难以处理的分子。在动物体内，带负电的细胞膜表面容易与CV染料发生反应，使其进入细胞[17]。它会导致癌症[18]。据报道，CV是一种顽固的染料分子，可能在环境中长期存在并造成危害。在某些鱼类物种中，它会作为强烈的致突变物导致肿瘤。因此，CV被视为一种生物危害物质[19]。

许多物理过程，如膜分离、磁分离和吸附，以及化学过程，如电化学技术、光化学和光催化氧化以及臭氧氧化，都被用来处理含有色物质的废水。此外还有Fenton及其类似氧化方法，以及好氧、厌氧和好氧-厌氧联合生物过程[20]。然而，这些方法的缺点包括：产生有害污泥、高昂的运营和维护成本以及复杂的处理程序[21]。理想的染料去除方法必须能够快速有效地去除大量废水中的颜色，同时不引入新的污染物。从废水中去除污染物时不应产生任何二次污染物（有害副产品）[22]。

近年来，生物吸附过程因其简单性、成本效益和可回收性而受到重视[23]。由于木质纤维素废弃物含有多种功能基团，能够有效螯合不同的水生污染物，因此研究了多种类型的农业废弃物。根据污染物的类型和其他工艺要求，可以通过各种物理化学过程进一步改善其吸附性能。农业废弃物用于开发可行处理技术的优势在于其广泛可用性、低成本以及环保和可生物降解的特性[24]。

Saussurea lappa的学名为Qust/Kut，是一种属于菊科的多年生草本植物[25]。其根部已被用于治疗与炎症相关的疾病，如哮喘、慢性胃炎、类风湿性关节炎和支气管炎[26]。目前文献中尚未有关于Saussurea lappa用于吸附去除CV染料的报道。Saussurea lappa是一种环保的农业材料，选择它是因为其易于获取且成本低廉。在去除染料后，这种吸附剂会随时间发生生物降解。通过对吸附剂进行NaOH、HCl、EDTA、酒石酸、柠檬酸、甲醇、乙醇和丙酮等化学处理，发现经过HCl、NaOH、乙醇和EDTA改性的吸附剂效果最佳，因此选择了这些改性形式进行进一步的吸附研究。本研究的目的是确定SL及其经过HCl、NaOH、乙醇和EDTA改性的形式吸附CV染料的性能。此外，还进行了操作参数和机理研究，以评估SL化学改性的木质纤维素大分子在大规模应用中的可行性。

材料

本研究使用波长最大值为588纳米的结晶紫染料作为样品。实验中还使用了HCl、NaOH、乙醇和EDTA等化学试剂。实验所用玻璃器皿均为灭菌的Pyrex?。所有试剂均为分析级（Merck/Fluka）。

Saussurea lappa的制备

从当地市场（巴基斯坦）收集了Saussurea lappa

的干燥样本，清洗后晾干并研磨成80目大小的细粉，然后储存在标有“SL”的塑料罐中。

SL的表征

SL的物理化学分析

SL的物理化学分析

对SL的原始样本进行了适用性分析，其组成分析见表1，结果显示其水分含量低，碳水化合物和纤维含量高，表明SL具有木质纤维素特性，并含有多种功能基团，如羟基、羧基和酯基，这些基团可以通过化学改性来增强表面质子化，从而进一步螯合离子污染物。重金属分析表明其中不含重金属

结论

本研究探讨了Saussurea lappa

的木质纤维素废弃物及其经过HCl、NaOH、乙醇和EDTA化学处理的样品对结晶紫染料的生物吸附去除效果。研究发现，经过化学处理的SL比未经处理的SL具有更高的吸附潜力。在微酸性pH值和室温下观察到最大的染料吸附量。吸附等温线分析表明，Langmuir等温线和Temkin等温线模型最为适用

CRediT作者贡献声明

Rabia Rehman：项目监督、项目管理、研究设计、概念构思。Muhammad Rashid：撰写初稿、方法论设计、研究实施。Mehwish Akram：研究实施、数据分析。Amara Dar：结果验证、数据分析。Zahrah T. Al-thagafi：结果可视化、数据分析。Reem I. Alsantali：结果验证、资金筹集。Maha E. Al-Hazemi：结果验证、数据分析。

资金声明

感谢沙特阿拉伯的Taif大学通过项目编号（TU-DSPP-2024-86）提供的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯的Taif大学通过项目编号（TU-DSPP-2024-86）对这项工作的支持。