磺化聚苯乙烯废弃物吸附去除水体结晶紫与铜离子(Cu2+)的性能研究——地下水适用性、模型构建与表征分析

本研究针对水体中结晶紫(CV)和铜离子(Cu2+)污染问题，创新性地利用磺化聚苯乙烯废弃物(SPS)作为吸附材料。通过系统考察pH、温度、初始浓度等参数，发现SPS对CV和Cu2+的最大吸附量分别达812±6 mg/g和257.3 mg/g，且可重复使用6次仍保持78%效率。特别在地下水应用中，SPS对CV去除率高达98%，但因Ca2+/Mg2+竞争致Cu2+去除率仅56%。研究通过XRD、SEM、FTIR等多维表征揭示了吸附机制，为废弃物资源化与水体修复提供新策略。

　　

随着工业发展，染料和重金属污染已成为全球性环境挑战。结晶紫(Crystal Violet, CV)作为三苯甲烷类染料，具有致畸和致癌风险；而铜离子(Cu²⁺)虽是必需微量元素，过量却会导致肝肾损伤。传统水处理方法存在成本高、二次污染等问题，促使科学家寻找绿色解决方案。与此同时，每年数百万吨的聚苯乙烯废弃物难以降解，其资源化利用迫在眉睫。

针对这一双重挑战，研究人员创新性地将废弃聚苯乙烯通过磺化改性(Sulfonated Polystyrene, SPS)，转化为高效吸附材料。研究发现，SPS对CV的吸附在pH 3-10.5范围内保持稳定，最大吸附量达812±6 mg/g；而对Cu²⁺的最佳吸附pH为6.03，容量为257.3 mg/g。动力学研究表明，伪二级模型能更好描述吸附过程，表明化学吸附占主导。通过X射线衍射(XRD)分析发现，吸附后SPS晶面间距从4.26 ?扩大至4.42 ?，证实了金属离子插层现象。

特别值得注意的是，在地下水实际应用中，SPS对CV的去除率高达98%，但对Cu²⁺仅56%。进一步分析揭示，地下水中存在的钙离子(Ca²⁺)和镁离子(Mg²⁺)会与Cu²⁺竞争吸附位点。扫描电镜(SEM)显示，吸附CV后的SPS表面形成纳米级褶皱结构，比表面积增加；而傅里叶红外光谱(FTIR)证实磺酸基(-SO₃H)是主要活性位点。

研究还建立了完整的吸附-再生体系，经过6次循环后，SPS对CV的吸附效率仍保持78%以上。热力学参数显示，ΔG°为负值(-8.34至-5.67 kJ/mol)，证实过程自发进行；而负的ΔH°(-45.3 kJ/mol)表明放热特性。这项研究不仅实现了"以废治污"的环保理念，更通过多尺度表征阐明了吸附机制，为环境功能材料设计提供了新思路。论文发表于《Reactive and Functional Polymers》，展示了废弃物高值化利用与环境污染治理的协同创新路径。

【关键技术方法】

1. 磺化改性技术制备SPS吸附剂
2. 批次吸附实验（考察pH、温度、浓度等参数）
3. 地下水实际样本测试（注明含Ca²⁺/Mg²⁺竞争离子）
4. XRD/SEM/FTIR多模态表征
5. 吸附动力学与等温线建模（伪二级/Elovich/Langmuir等）

【研究结果】

1. 吸附性能优化：确定CV最佳吸附pH范围(3-10.5)和Cu²⁺最佳pH(6.03)，60分钟达平衡
2. 热力学分析：ΔG°为负值证实自发过程，ΔH°显示放热特性，升温导致吸附量下降11-16.5%
3. 再生能力：SPS经6次再生后对CV保持78%效率，优于Cu²⁺的稳定性
4. 实际应用差异：地下水