磁性纳米复合材料对水中茜素红和刚果红的吸附机制与热力学研究：基于统计物理理论的多层吸附解析

本研究针对水体染料污染治理难题，通过构建花生壳活性炭/磁性氧化铁/壳聚糖/锆复合材料（Zr-CS/Fe3O4-NPs@PH-AC），采用统计物理理论建立先进吸附模型（ATAM），揭示了茜素红（AR）与刚果红（CR）的多分子层吸附机制。研究发现AR形成3层吸附结构且过程放热（608.97→325.83 mg/g），而CR呈现吸热特性（达170.12 mg/g），为染料吸附剂设计提供了分子层面的理论支撑。

　　

随着全球淡水危机加剧，工业染料污染成为威胁生态系统和人类健康的重要隐患。茜素红（Alizarin Red, AR）和刚果红（Congo Red, CR）作为典型难降解染料，其芳香结构和潜在致癌性使传统水处理技术面临挑战。尽管农业废弃物衍生吸附剂因成本低、环境友好等优势受到关注，但现有吸附模型难以解释复杂的分子层形成机制。Northern Border University（沙特阿拉伯）与Princess Nourah bint Abdulrahman University的研究团队突破传统Langmuir模型的局限，通过统计物理理论构建先进吸附模型（Advanced Theoretical Adsorption Model, ATAM），系统解析了磁性复合材料Zr-CS/Fe₃O₄-NPs@PH-AC的吸附机理。

研究采用已发表的实验数据，通过ATAM模型计算吸附层数（N_t）、饱和吸附量等参数。关键技术包括：1）基于统计物理的吸附等温线建模；2）分子层数定量分析；3）热力学参数（吉布斯自由能ΔG、构型熵S_conf）计算。

【Number of layers (N_t) of dye molecules deposited on the composite surface】

温度显著影响吸附层数：AR在25°C时形成2.985层，表明多分子层主导吸附；CR仅形成1.488-1.890层。分子聚集分析显示，AR在溶液中更易形成聚集体，导致其吸附量（608.97 mg/g）远超CR（170.12 mg/g）。

【Energetic and thermodynamic analyses】

吸附能（E₁, E₂）均<21 kJ/mol，证实物理吸附主导。AR吸附放热（容量随温度升高降低），CR吸热（容量增加）。热力学计算显示ΔG为负值，过程自发；S_conf变化揭示AR吸附导致更大体系混乱度。

该研究首次通过统计物理模型阐明AR/CR的多层吸附差异：AR因分子间作用力强形成3层结构，CR仅单层吸附。理论模型证实复合材料表面异质性，为农业废弃物吸附剂设计提供分子层面指导。成果发表于《Journal of Cleaner Production》，不仅推动染料吸附机制认知，更为开发低成本水处理技术奠定理论基础。