经典Fenton氧化法高效降解高浓度食品着色剂Sunset Yellow FCF的统计优化研究及生态风险控制

本研究针对食品工业废水中的偶氮染料Sunset Yellow FCF（SY）引发的生态健康风险，采用Fenton氧化工艺结合面心中心复合设计（FCCD）进行降解优化。结果表明，在[SY]0=0.38 mM、[Fe2+]=0.10 mM、[H2O2]=6.0 mM（pH 3.0）条件下，481 nm处降解率达96.28%，BMG动力学模型拟合最优（R2>0.95）。该研究为高浓度食品染料的绿色处理提供了技术支撑。

　　

食品工业中广泛使用的合成染料Sunset Yellow FCF（SY）因其成本低廉和稳定性佳成为主流着色剂，但过量摄入可能引发儿童多动症、过敏反应甚至癌症风险。更严峻的是，含芳香环和偶氮基团(-N=N-)的SY染料进入水体后会抑制水生植物光合作用，其WHO建议每日允许摄入量(ADI)仅0-4 mg/kg体重。传统物理吸附和生物处理法存在效率低、产生毒泥等问题，亟需开发高效降解技术。

为此，研究人员通过经典Fenton氧化工艺（以Fe²⁺/H₂O₂体系产生羟基自由基HO•）降解SY染料。采用Plackett-Burman设计筛选关键参数后，利用面心中心复合设计(FCCD)建立二次模型（R²=0.9485），最终确定最佳条件为：[SY]₀=0.38 mM、[Fe²⁺]=0.10 mM、[H₂O₂]=6.0 mM（pH 3.0，25°C，150 rpm）。通过紫外光谱监测发现，60分钟内对SY特征峰（232/313/481 nm）的降解率分别达46.85%、58.07%和96.28%，证实n→π跃迁比π→π更易被破坏。动力学分析显示Behnajady-Modirshahla-Ghanbery(BMG)模型拟合度最佳（R²>0.95），其反应速率常数揭示HO•攻击染料分子的效率差异。该成果发表于《Next Research》，为食品染料废水处理提供了经济高效的解决方案。

关键技术包括：1）Fenton氧化反应体系优化（涉及10步链式反应如Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+HO•+HO^-）；2）统计实验设计方法（Plackett-Burman筛选+FCCD优化）；3）多波长紫外光谱动力学监测；4）BMG非线性动力学模型拟合。

【材料与方法】
研究采用Sigma Aldrich提供的SY染料（C₁₆H₁₀N₂Na₂O₇S₂，MW=452.36 g/mol），通过控制FeSO₄·7H₂O和H₂O₂浓度调节Fenton反应进程。

【结果与讨论】
• 参数优化：FCCD模型显示H₂O₂浓度对降解效率影响最大（贡献率42.7%），酸性环境(pH 3.0)可抑制Fe³⁺沉淀并促进HO•生成。
• 降解机制：481 nm处快速降解表明发色团(-N=N-)优先被破坏，而232 nm处缓慢降解反映萘环结构抗性较强。
• 环境意义：处理后的废水可避免SY对水生生物的光毒性，且Fenton试剂(Fe²⁺/H₂O₂)成本仅为臭氧法的1/5。

结论证实Fenton氧化能有效解决高浓度SY污染问题，BMG模型为复杂降解过程提供了精准描述工具。该技术可延伸至其他偶氮染料处理，对食品工业可持续发展具有重要实践价值。