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为解决刚果红（CR）废水处理难题，伊朗科技大学研究人员开展纳米二氧化硅 - 聚丙烯酸复合高吸水性水凝胶（SAH）研究。结果显示该水凝胶去除 CR 效率高、可重复利用。推荐阅读，共探废水处理新路径。
在当今时代，工业发展和城市化进程如汹涌浪潮，一路高歌猛进。但随之而来的，是一系列让人头疼的环境问题，其中工业染料废水的处理，就像一块沉甸甸的大石头，压在人们的心头上。据估算，工业染料废水的产量每年高达 300 - 400 万立方米 ，各类染料在橡胶、造纸、塑料、纺织等多个行业广泛使用。尤其是纺织业，堪称染料的 “大胃王”，每年要消耗近 10000 吨合成染料。而且，生产 1 吨纺织品大约需要 15 吨水，其中 80% - 90% 最后都变成了废水 。这些废水里的纺织染料，不仅让水源变得又脏又丑，还增加了生化需氧量和化学需氧量，严重破坏了水生态环境，影响光合作用，阻碍植物生长，甚至可能引发毒性、致突变性和致癌性 。
刚果红（Congo Red，CR）作为一种常见的合成染料，也是个 “麻烦制造者”。它被广泛用于纺织、造纸和染发等行业，还是一种光敏剂，对水生生物有着不小的威胁。即使水中的 CR 浓度很低，由于它含有两个不饱和发色基团（偶氮基团）和四个助色基团（氨基和磺酸钠基团） ，也会导致染色废水中的色度和化学需氧量升高。再加上 CR 分子中的芳香基团赋予它高的热稳定性、抗微生物降解性和光学稳定性，使得从废水中去除 CR 变得困难重重。
面对这些难题，许多科研人员都在努力寻找解决办法。伊朗科技大学无机化学工艺技术研究实验室的 Kazem Mohammadzadeh 等人，也加入到这场 “战斗” 中。他们在《Heliyon》期刊上发表了一篇名为《Nanosilica - polyacrylic acid superabsorbent hydrogel derived from fast concentration gradient method for remediation of Congo red wastewater》的论文，为解决刚果红废水处理问题带来了新的希望。
在这项研究中，研究人员用到了几个关键技术方法。他们通过快速浓度梯度法合成了纳米二氧化硅，这种方法可以制备出高比表面积、分散性好的纳米二氧化硅。之后，将纳米二氧化硅与聚丙烯酸混合，合成了复合高吸水性水凝胶（SAH）。为了了解材料的特性，他们运用了多种表征技术，如 X 射线衍射仪分析纳米二氧化硅的晶体结构、X 射线荧光装置评估其化学纯度、扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察微观结构、氮吸附分析研究孔隙结构等。此外，还进行了溶胀比测试和染料吸附测试，来评估水凝胶的性能。
下面来看看他们都有哪些重要的研究成果。
3.1 合成纳米二氧化硅的表征
研究人员首先对合成的纳米二氧化硅进行了全面的 “体检”。通过 X 射线粉末衍射分析发现，合成的二氧化硅粉末是无定形的，这意味着它内部原子排列没有规则的晶格结构。而且，XRD 图谱中没有出现结晶峰，说明洗涤步骤有效地去除了沉淀反应的副产物，如 NaCl 和 NaOH。XRF 分析结果显示，经过乙酸溶液表面改性后的纳米二氧化硅粉末纯度超过 98.5 wt%，有效降低了氧化钠杂质的含量。从 FESEM 和 TEM 图像中可以看到，改性后的纳米二氧化硅尺寸分布更均匀，大约 83.5% 的颗粒粒径在 20 - 35nm 之间，分散性良好。氮吸附分析表明，改性后的纳米二氧化硅比表面积更大，总孔体积和平均孔径也更大，这使得它能为后续的吸附反应提供更多的活性位点。
3.2 复合 SAH 的表征
对于合成的复合 SAH，研究人员也进行了深入研究。溶胀比测试发现，随着在水中浸泡时间增加到 120min，溶胀百分比会上升，之后再延长时间，溶胀比基本不变。而且，SAH 的溶胀还受水溶液 pH 值的影响，在酸性环境（pH 低于 5）中溶胀程度较小，当 pH 上升到 9 时，聚丙烯酸中的羧基转化为钠盐形式（聚丙烯酸钠），其更高的解离度使得溶胀增加，但 pH 超过 9 后，高浓度钠离子对电荷的屏蔽作用又会导致溶胀百分比下降 。从 FESEM 图像可以看出，复合 SAH 的微观结构有由相互连接的纳米薄片形成的微米级空腔，这种多孔结构为水分子和染料分子的渗透提供了理想环境。FTIR 光谱分析则进一步揭示了复合 SAH 中存在的各种化学键和官能团，帮助研究人员了解其化学组成和结构。
3.3 染料去除性能
这部分研究主要关注复合 SAH 对 CR 染料的去除效果。实验结果令人惊喜，在 120min 内，复合 SAH 对 CR 的去除效率能达到 99.5%。而且，无论是初始浓度为 40mg/L 还是 80mg/L 的 CR 溶液，去除率在 15 - 120min 内都以相对恒定的速率上升，之后趋于稳定，说明 120min 是达到吸附平衡的时间。增加 SAH 的用量也能显著提高染料去除率，当吸附剂用量为 3g/L 时，染料去除率超过 98.5%。通过对吸附动力学的研究发现，伪二级动力学模型能更好地拟合实验数据，这表明吸附过程主要是化学吸附，吸附速率受吸附容量的影响更大。而吸附等温线研究显示，Langmuir 模型能更准确地描述吸附平衡数据，说明复合 SAH 对 CR 的吸附更倾向于单分子层吸附，其最大单层吸附容量可达 555.56mg/g。研究人员还推测，CR 染料的去除机制主要是染料分子与二氧化硅纳米颗粒及水凝胶之间的静电相互作用和氢键作用，纳米二氧化硅的高比表面积提供了大量活性位点，而且 CR 分子尺寸较小，能够轻松进入水凝胶的微米级孔隙和二氧化硅颗粒的纳米级孔隙 。
3.4 再生实验
吸附剂的可重复使用性是实际应用中的一个重要指标。研究人员对复合 SAH 进行了再生实验，他们发现 SAH 在 pH 为 3 时会发生溶胀收缩，于是利用这一特性，将吸附剂浸泡在去离子水中并用 1M HCl 溶液调节 pH 来进行再生。经过 5 次再生循环后，虽然染料去除率从最初的 92.4% 下降到了 71.6%，但这一结果仍表明复合水凝胶可以多次使用，具有一定的可持续应用潜力。研究人员分析，去除率下降的原因可能是 CR 染料部分不可逆地占据了水凝胶的活性位点，以及在吸附和再生过程中水凝胶有轻微的质量损失。
3.5 对比研究
为了更清楚地了解复合水凝胶的性能优势，研究人员还进行了对比研究。他们将复合水凝胶与其他用于去除水溶液中 CR 染料的吸附剂进行比较，发现本文所制备的复合水凝胶最大吸附容量明显高于其他吸附剂，如微波稻壳粘土混合物的最大吸附容量仅为 4.00mg/g，而复合水凝胶高达 555.56mg/g 。不过，研究人员也指出，要全面评估吸附剂的性能，还需要综合考虑接触时间、pH 值、吸附剂用量、可重复使用性、吸附剂与水的分离、选择性以及在不同 CR 染料浓度下的性能等多个参数。
3.6 研究的局限性
虽然这项研究取得了不少成果，但研究人员也很坦诚地指出了研究存在的局限性。比如，当把合成过程放大到工业规模时，可能会面临一些挑战，因为要保证大规模生产时产品质量和性能的一致性并不容易。而且，水凝胶在经过 5 次循环使用后，其在不同环境条件下的长期稳定性和有效性还不确定。另外，该研究主要聚焦于 CR 染料的去除，对于工业废水中常见的其他污染物适用性有限。使用纳米二氧化硅对环境的影响，如在生态系统中的持久性和潜在毒性，也没有得到全面的研究。同时，研究缺乏与现有吸附剂或处理方法的详细对比分析，难以准确评估其相对性能。虽然研究中使用了多种表征技术，但对于一些如操作条件下的热稳定性和染料吸附过程中的化学相互作用等性质，还需要进一步研究，以便更深入地了解其有效性。
总的来说，这项研究成功开发了一种由聚丙烯酸和纳米二氧化硅组成的复合高吸水性水凝胶，用于去除水溶液中的刚果红染料。研究人员通过一种新颖的方法合成了高性能的纳米二氧化硅，并将其与聚丙烯酸复合，制备出的水凝胶表现出优异的溶胀性能和染料去除能力。在优化条件下，该水凝胶对刚果红染料的去除率高，吸附过程符合伪二级动力学模型和 Langmuir 等温线模型，且具有一定的可重复使用性。虽然研究存在一些局限性，但它为纳米二氧化硅基吸附剂在环境修复中的应用提供了新的思路和方法，在废水处理领域有着重要的意义，有望为解决实际的环境问题提供新的解决方案，推动相关领域的进一步发展。
