壳聚糖/核桃壳粉复合生物吸附剂优化制备及其对阳离子染料甲基紫2B的高效去除机制研究

本研究针对工业废水中致癌性阳离子染料甲基紫2B（MV 2B）的污染难题，通过将核桃壳粉（WS）负载到壳聚糖（CHS）基质中，开发出CHS/WS-(50:50)复合吸附剂。采用Box-Behnken设计优化工艺参数，证实其最大吸附容量达103.3 mg/g，吸附机制涉及静电作用、n-π堆积和氢键作用，为低成本生物吸附剂设计提供新思路。

　　

随着全球纺织工业每年排放超过70万吨合成染料，其中15-50%未固着的染料直接进入水体，三苯甲烷类阳离子染料甲基紫2B（MV 2B）因其致癌性、高毒性和难降解特性成为环境治理的顽疾。传统水处理技术面临成本高、二次污染等瓶颈，而天然高分子材料壳聚糖（CHS）虽具氨基（–NH₂
）和羟基（–OH）等活性基团，却存在酸性溶解和机械强度差的缺陷。与此同时，全球每年产生110万吨核桃壳（WS）废弃物，其富含35%木质素和55.2%全纤维素的结构特性尚未充分开发利用。

针对这一现状，马来西亚理工大学的研究团队创新性地将WS粉末以不同比例（25%、50%）负载到CHS基质中，开发出新型生物复合吸附剂CHS/WS-(50:50)。通过响应面法（RSM）中的Box-Behnken设计（BBD）优化发现，在pH 9.53、吸附剂用量0.08 g、接触时间58.9分钟条件下，MV 2B去除率可达93.42%。研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电镜（SEM）表征材料结构，结合吸附等温线和动力学模型分析作用机制。

材料与方法
研究以脱乙酰度75%的CHS和250 μm粒径WS粉末为原料，通过物理共混法制备三种比例（100:0、75:25、50:50）的复合吸附剂。采用BBD三因素三水平实验设计，考察剂量（0.02-0.1 g/100 mL）、pH（4-10）和时间（10-60分钟）的交互影响。通过Freundlich和Langmuir等温模型、伪一级（PFO）和伪二级（PSO）动力学模型解析吸附行为，并利用X射线光电子能谱（XPS）和能谱分析（EDS）探究作用机制。

研究结果
Effect of WS loading into CHS matrix on MV 2B removal
纯CHS对MV 2B的去除率仅21.9%，而CHS/WS-(50:50)提升至89.3%，证实WS的酚羟基和木质素结构显著增强吸附性能。BBD模型方差分析显示F值达168.7，p<0.0001，表明模型高度显著。

Adsorption mechanism
FTIR显示吸附后–NH₂
特征峰位移，证实静电吸引主导；XPS检测到π-π*跃迁峰，说明n-π堆积参与作用；EDS图谱中N元素分布验证染料成功负载。

Reusability study
5次循环后吸附效率仍保持82.4%，0.1 M NaCl溶液可有效解吸，证明材料具有工程应用潜力。

结论与意义
该研究首次证实CHS/WS-(50:50)通过多层吸附机制（Freundlich模型，R²
=0.994）和化学吸附主导过程（PSO模型，k₂
=0.018 g/mg·min）实现高效染料去除。其103.3 mg/g的吸附容量优于多数报道的生物吸附剂，且原料来自农业废弃物，成本仅为商业活性炭的1/20。这项工作为（1）解决CHS在酸性介质不稳定的问题、（2）开发"以废治废"的环境修复策略、（3）优化RSM在吸附工艺中的应用提供了三重创新价值，相关成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，对发展中国家纺织废水治理具有重要指导意义。