甘蔗渣活性炭对诱变偶氮染料的统计建模吸附研究及其在废水处理中的应用

本研究针对纺织废水中有毒染料污染问题，创新性地利用甘蔗渣废弃物制备活性炭(AC)，通过化学-热活化法开发出高效吸附剂AC(H)。研究采用XRD、FTIR、SEM等技术表征材料特性，系统考察甲基蓝(MB)吸附动力学与热力学，发现其吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温线(qmax=389.4 mg/g)，证实化学吸附为主导机制。该材料成本仅0.041美元/克，在pH 9.0条件下去除率达99%，为农业废弃物资源化与废水治理提供可持续解决方案。

　　

纺织工业排放的偶氮染料废水正成为全球水污染治理的严峻挑战。甲基蓝(MB)作为典型的杂环芳香族阳离子染料，因其复杂的芳香结构和抗生物降解性，在造纸、塑料、化妆品等行业广泛应用的同时，会引发消化系统刺激、心律失常等健康风险。更棘手的是，传统处理方法如电凝、反渗透等存在成本高、操作复杂等缺陷。与此同时，埃及每年产生约480万吨甘蔗渣(SCB)废弃物，这些富含纤维素(30-50%)和木质素(20-24%)的农业副产品通常被焚烧处理，造成资源浪费。如何将环境污染物与农业废弃物这两个看似不相关的难题协同解决，成为Beni-Suef大学研究团队开展本研究的核心动机。

研究人员通过磷酸(H₃PO₄)化学活化结合700℃热处理的创新工艺，将SCB的壳部(AC(H))和核心(AC(C))分别转化为活性炭。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)和氮气吸附-脱附等技术系统表征材料特性；通过批式实验考察pH、接触时间、温度等参数对MB吸附的影响；运用线性/非线性模型分析吸附动力学和等温线；结合响应面法(RSM)优化处理条件；最后进行成本核算和再生性评估。

研究结果

ACs表征
XRD显示AC(H)在2θ≈20°-30°呈现典型γ-碳宽峰，表明高度多孔的无序结构，而AC(C)因生物源二氧化硅(1095 cm^-1 FTIR峰)导致灰分更高。SEM证实AC(H)具有褶皱层状结构和丰富微/介孔，比表面积(S_BET)达424.332 m²/g，优于AC(C)的423.792 m²/g。

批式实验
在pH 9.0(接近零电荷点pH_PZC=7.8)时取得最佳吸附效果(99.14%)，60分钟达平衡。吸附量随AC(H)剂量增加而提升，10 mg可实现完全去除。动力学分析显示准二级模型(R²>0.999)最匹配，表明化学吸附主导，实验q_e(312.4 mg/g)与理论值高度吻合。

吸附机制
Langmuir模型(R²>0.97)优于Freundlich和Temkin，证实单层吸附；热力学参数(△H°=-83.38 kJ/mol, △G°<0)揭示自发放热过程。值得注意的是，DR模型计算的活化能E_DR=550.8 J/mol进一步支持化学键形成机制。

实际应用
通过ANOVA优化获得99%脱色效率的最佳条件：200 rpm、90分钟、10 mg剂量。经5次再生后仍保持70%效率，生产成本仅0.041美元/克，显著低于商业活性炭。

结论与意义
该研究开创性地将甘蔗渣壳部转化为高性能活性炭AC(H)，其MB吸附容量(389.4 mg/g)超越多数生物质吸附剂。通过多尺度表征与统计建模，阐明化学吸附主导的去除机制，为"以废治污"提供范例。特别值得关注的是，研究首次将Design Expert软件与吸附模型相结合进行工艺优化，这种跨方法学创新为废水处理研究树立了新标准。成果发表于《Scientific Reports》不仅为纺织废水治理提供经济高效的解决方案，更推动农业废弃物资源化向高附加值方向发展，具有显著的环境与经济双重效益。