藻酸盐/水热炭复合微球对水中碱性蓝9的高效吸附：基于循环工程的可持续解决方案

本研究针对工业废水中难以降解的碱性蓝9（BB9）染料污染问题，创新性地通过水热碳化（HTC）和水热腐殖化（HTH）技术改性胡萝卜渣生物质，制备藻酸盐/水热炭复合微球（HTC/Alg和HTH/Alg）。结果表明，该材料在pH=3、吸附剂用量10 mg条件下对1000 ppm BB9的去除率分别达86.8%和94%，最大吸附容量达580.2 mg/g（HTC/Alg）和575.8 mg/g（HTH/Alg），Redlich-Peterson等温线和Elovich动力学模型揭示其以静电作用和化学吸附为主导机制。该研究为低成本、可回收的染料废水处理提供了新策略，推动循环经济发展。

　　

论文解读

背景与挑战
合成染料在纺织、化妆品和制药业的广泛应用导致严重的水污染问题，其中碱性蓝9（BB9）作为典型阳离子染料，具有高水溶性和视觉敏感性，即使微量也会造成环境风险。传统处理方法如氧化法和膜过滤存在高成本、有毒副产物等缺陷，而吸附法虽具优势，但高性能吸附剂如金属有机框架（MOFs）价格昂贵，生物炭制备又需高温干燥等复杂工序。如何开发兼具高效性、可持续性和经济性的吸附材料，成为环境工程领域的迫切需求。

研究设计与创新
伊朗的研究团队首次将胡萝卜渣通过水热碳化（HTC）和碱性环境下的水热腐殖化（HTH）转化为两种水热炭，并创新性地将其与藻酸盐复合形成微球（HTC/Alg和HTH/Alg）。该研究突破传统生物炭需干燥的局限，直接利用高水分生物质，在200℃、24小时条件下制备材料，通过FTIR、XRD、FESEM和BET等技术表征其结构，并系统考察pH、吸附剂用量、染料浓度和接触时间对BB9去除的影响。

关键技术方法
研究采用水热反应釜制备HTC和HTH水热炭，通过钙离子交联法合成藻酸盐复合微球；利用正交距离回归算法进行非线性等温线和动力学模型拟合；通过ICP分析验证材料稳定性；采用乙醇洗涤法评估微球再生性能。

研究结果

3.1 材料表征
水热炭的FTIR显示HTH比HTC含更多羧基和羟基（1400 cm^-1峰增强），XRD证实无定形结构。HTC/Alg微球孔径（9.393 ?）大于HTH/Alg（5.260 ?），但后者因丰富官能团实现相当吸附能力。FESEM显示HTC微球表面存在碳微球，而HTH呈多孔海绵状。

3.2 吸附性能优化
pH=3时静电吸引力最强，HTH/Alg对1000 ppm BB9的去除率比HTC/Alg高20%。吸附量随染料浓度升高至1200 mg/L达峰值（580.2 mg/g），但超过1000 ppm时因孔隙饱和导致效率下降。吸附平衡时间HTH/Alg（300分钟）短于HTC/Alg（360分钟），反映前者更快的表面吸附动力学。

3.3 吸附机制
Redlich-Peterson等温线（β>1）和Elovich动力学模型表明化学吸附为主导，Zeta电位（pH=7时-39.5 mV）证实静电吸引作用。ICP显示HTH/Alg中更多Ca²⁺参与离子交换，FTIR证实BB9的N、S基团与炭表面含氧官能团形成共价键。

3.6 再生性能
乙醇洗涤后，HTH/Alg的去除率从87%降至36%（三次循环），仍优于HTC/Alg（72%→26%），表明功能基团稳定性对再生效率的影响。

结论与意义
该研究开创性地将水热炭与藻酸盐复合，解决了传统粉末吸附剂难回收的问题。HTH/Alg微球凭借丰富的官能团和适中孔隙率，在580 mg/g吸附容量下超越多数藻酸盐基材料（如藻酸盐/壳聚糖微球的367.3 mg/g）。研究证实水热腐殖化可增强生物质的功能性，为复杂组分生物质（如含糖、蛋白质的胡萝卜渣）的高值化利用提供范例。尽管再生效率有待提升，但材料成本低廉、制备工艺简单，在工业废水处理中具有规模化应用潜力，同时为3D打印环保墨水开发提供新思路。论文发表于《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》，为循环工程理念下的污染治理技术设计提供了重要参考。