番茄茎秆化学改性吸附亚甲基蓝的动力学、等温线与热力学研究及其在废水处理中的应用价值

本研究针对工业活性炭成本高的问题，以科特迪瓦当地丰富的番茄茎秆为原料，通过ZnCl2活化制备生物吸附剂(ATS)，系统探究其对废水中亚甲基蓝(MB)的吸附性能。结果表明，该材料在pH=9、投加量4 g/L条件下，45分钟可达吸附平衡，最大吸附容量达34.48 mg/g，符合准二级动力学和Langmuir单层吸附模型，且HCl介质中再生效率达97%。该研究为低成本废水处理提供了新型生物质吸附方案。

　　

随着纺织工业发展，染料废水污染已成为全球性环境挑战。亚甲基蓝(MB)作为典型阳离子染料，不仅造成水体色度污染，更可能引发人体溶血、黄疸等健康问题。传统活性炭吸附法虽有效但成本高昂，而农业废弃物转化吸附剂的研究多集中于碳化工艺，存在能耗高的问题。科特迪瓦作为西非番茄主产区，每年产生大量未被利用的番茄茎秆，这为开发新型生物吸附剂提供了契机。

科特迪瓦研究人员在《Next Materials》发表论文，创新性地采用ZnCl₂化学活化法处理番茄茎秆，避免传统碳化工艺的高能耗问题。研究通过X射线衍射(XRD)表征材料结构，系统考察了pH、吸附剂量、接触时间等因素对MB去除率的影响，并结合动力学模型和热力学参数揭示了吸附机制。

关键技术方法包括：1) 番茄茎秆的ZnCl₂溶液(30% wt)浸渍活化；2) XRD表征材料结晶结构；3) 紫外分光光度法测定MB浓度；4) 采用准一级、准二级动力学模型及Langmuir等温线模型分析数据；5) 通过Van't Hoff方程计算热力学参数。

3.1 材料表征
XRD图谱显示活化番茄茎秆(ATS)在2θ=10.1°、22.26°和26.99°处出现典型木质纤维素生物质的非晶特征峰，MB吸附后仅见峰强轻微降低，表明材料结构稳定性良好。

3.2 吸附参数优化
研究发现pH>8.23(材料零电荷点)时，带负电的ATS表面对MB阳离子的静电吸附显著增强，最佳pH为9。吸附剂量实验显示4 g/L时去除率达83.73%，继续增加剂量会因颗粒团聚导致效率平台期。

3.2.4 再生性能
HCl(0.1 M)介质的解吸效率(97%)显著优于NaOH和蒸馏水，这归因于H⁺与MB阳离子的电荷排斥作用。但循环实验表明，第六次吸附-解吸后效率降至48%，提示活性位点存在不可逆损耗。

3.2.5 吸附等温线
Langmuir模型(R²=1.000，RSS=0.00071)最符合实验数据，29°C时最大单层吸附容量为34.48 mg/g，优于甘蔗渣(23.49 mg/g)和天然稻壳(19.77 mg/g)等生物质材料。分离因子R_L值(0.141-0.777)证实吸附过程易于进行。

3.2.6 动力学分析
准二级动力学模型(R²>0.9969)能更好描述吸附过程，表明MB与ATS间存在化学键合作用。颗粒内扩散模型显示吸附存在多阶段特征，初期(5分钟内)快速吸附阶段由表面活性位点占据主导。

3.2.7 热力学研究
ΔH^o=16.78 kJ/mol证实吸热特性，ΔS^o=145.28 J/(mol·K)表明固液界面混乱度增加，ΔG^o负值(-27.07至-31.58 kJ/mol)说明过程自发进行且升温有利吸附。

该研究首次证实非碳化番茄茎秆吸附剂对MB的高效去除能力，其最大吸附容量达到商业活性炭的30-50%，且原料成本仅为后者的1/20。特别值得注意的是，材料在强酸环境下的优异再生性能(97%)使其在工业应用中具备显著经济优势。研究提出的"化学活化-静电吸附"机制为农业废弃物资源化提供了新思路，对解决西非地区饮用水短缺与工业污染矛盾具有现实意义。未来研究可进一步优化活化工艺，并考察实际印染废水中复杂组分对吸附性能的影响。