新型 PVA - 二氧化硅复合吸附剂：高效去除废水中萘的环保利器

多环芳烃（PAH）中的萘对生物危害极大，为去除废水中萘，研究人员制备 PVA - 二氧化硅 - 活化生物炭复合膜。实验表明其去除率最高达 99.549%，该复合吸附剂成本低、效率高，为废水处理提供新选择。

　　在当今环境问题日益严峻的背景下，水污染问题尤为突出。其中，多环芳烃（PAH）作为一类常见的有害有机污染物，广泛存在于水体和土壤中。它们主要源于碳质化石燃料（如煤炭、原油衍生物）以及其他有机材料（如木材、纸张、垃圾、烟草等）的不完全燃烧，同时，铝生产、催化裂化塔和机动车尾气排放等行业活动也会导致大量 PAH 排放 。萘作为 PAH 中最基本的芳香同聚物化合物，由两个稠合苯环组成，属于半挥发性有机化合物（SVOC）。它在工业上应用广泛，如用于农药、表面活性剂、鞣革、木材防腐剂、油墨和染料生产等领域，全球萘需求量持续增长。然而，萘对环境和人类健康危害极大。在植物中，萘中毒会抑制植物生长，降低蒸腾速率，使植物组织发黄，严重时甚至导致植物组织死亡。对人体而言，通过摄入、吸入或皮肤吸收进入人体的萘，会由血液中的白蛋白运输至全身，经细胞色素酶代谢后与 DNA 结合，引发诱变，进而导致溶血性贫血和高铁血红蛋白血症，具有严重的致癌性，还会引发心动过速、低血压、恶心等症状。因此，减少和消除环境中的萘迫在眉睫。

为解决这一难题，来自国内研究机构的研究人员开展了一项旨在利用生物废弃物制备高效吸附剂以去除废水中萘的研究 。研究人员利用香蕉皮这一常见的生物废弃物，通过热化学过程制备活化生物炭，并将其与 PVA（聚乙烯醇）、二氧化硅结合，制备出一种膜状复合材料。研究结果表明，该复合材料对萘的去除效果显著，在最佳条件下，去除率可达 99.549% 。这一研究成果为废水处理提供了一种新的、高效且环保的解决方案，对于改善水环境质量、保障生态安全和人类健康具有重要意义。该研究成果发表在《Environmental Surfaces and Interfaces》杂志上。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，通过扫描电子显微镜（SEM）分析复合材料的表面拓扑结构，观察其孔隙和表面形态；利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确定复合材料表面的功能基团；采用热重分析（TGA）研究复合材料的热稳定性；通过接触角（CA）测量评估吸附剂的亲水性；进行零电荷点（PZC）研究以确定吸附剂表面的电荷特性。此外，运用吸附实验研究不同参数（如吸附剂用量、接触时间、污染物浓度、温度、pH、搅拌速度）对萘吸附过程的影响，并利用吸附等温线、吸附动力学和热力学模型对实验数据进行分析，同时借助响应面法（RSM）优化吸附条件。

研究结果如下：

1. 样品表征：SEM 图像显示复合材料表面粗糙多孔，添加活化生物炭增加了表面孔隙，EDX 分析表明复合材料中含有碳、氧、硅等元素。FT-IR 光谱分析发现，复合材料中存在 -OH、-CH₂、C-O-H 等功能基团，这些基团为吸附提供了活性位点。TGA 分析表明，复合材料在 423K 开始分解，623 - 773K 发生主要分解，最终剩余 30% 左右的重量，具有较高的热稳定性。接触角测量结果显示，复合材料的接触角为 107.05?±1.46，表明其表面具有疏水性，这是由于活化生物炭和疏水性二氧化硅纳米颗粒的加入。PZC 研究确定复合材料的零电荷点为 7.23，在不同 pH 条件下，吸附剂表面电荷会发生变化。
2. 不同参数对吸附的影响：研究发现，增加吸附剂用量、提高搅拌速度、升高温度、延长接触时间以及在碱性条件下，萘的去除率均会提高；而初始污染物浓度增加时，去除率会降低。例如，吸附剂用量为 4g/L 时，萘去除率最高可达 98.918%；搅拌速度从 100rpm 提高到 160rpm，去除率从 91.341% 提升至 99.549%；温度从 298K 升高到 313K，去除率从 96.649% 提高到 97.319%；接触时间在 2 小时内，去除率随时间增加而提高，2 小时后基本稳定。
3. 吸附等温线研究：将实验数据与 Langmuir 和 Freundlich 等温线模型进行拟合，结果表明该吸附过程更符合 Langmuir 模型（R²=0.991），说明萘在复合材料表面的吸附为单层吸附。
4. 吸附动力学研究：通过对伪一级动力学模型和伪二级动力学模型的分析，发现吸附过程更符合伪二级动力学模型（R²=0.9986），实验得到的平衡吸附量（q_e）与伪二级动力学模型计算值相符。
5. 热力学研究：热力学参数计算结果显示，ΔG 为负值，表明吸附反应是自发进行的；ΔH 为正值（11.821kJ/mol），且小于 40kJ/mol，说明反应是吸热的，且吸附过程为物理吸附；ΔS 为正值（61.87J/mol/K），表明固 - 液界面反应的随机性增加。
6. RSM 优化结果：利用 RSM 的中心复合设计（CCD）方法对吸附过程进行优化，得到优化后的吸附条件为吸附剂用量 2.65g/L、pH 7.86、接触时间 75.53 分钟，在此条件下，萘的去除率可达 95.23%。实际实验验证了该优化模型的可靠性，在优化条件下萘的去除率为 95.72%。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功制备了一种新型 PVA - 二氧化硅 - 活化生物炭膜状复合材料（PSAB），并用于废水中萘的吸附去除。该复合材料在不同条件下表现出高效的吸附性能，最高去除率可达 99.549% 。研究结果与 Langmuir 等温线和伪二级动力学模型相符合，热力学研究表明吸附过程是吸热、物理吸附且自发进行的。通过 RSM 优化得到的最佳吸附条件为实际应用提供了参考。此外，成本效益分析表明，该吸附剂成本较低，大规模应用具有可行性，为废水处理提供了一种经济、高效且环保的新选择。这一研究成果不仅为解决萘污染问题提供了切实可行的方法，也为其他有机污染物的去除研究提供了借鉴，对于推动环境科学和废水处理技术的发展具有重要意义。