新型纳米纤维复合材料PVA-SS-CD对亚甲基蓝染料的吸附等温线研究：空间位阻与能量解析

本研究针对工业废水中难降解染料污染问题，开发了由丝胶蛋白/β-环糊精/聚乙烯醇（PVA-SS-CD）构成的新型纳米纤维复合材料。通过单层单能统计物理模型，揭示了亚甲基蓝（MB）吸附的立体构效关系，证实其单分子层物理吸附特性（吸附量达288 mg/g），为低成本、环保型废水处理提供了新材料与技术支撑。

　　

随着纺织、印染等行业的快速发展，工业废水中染料的污染问题日益严峻。亚甲基蓝（MB）等合成染料不仅难以生物降解，还具有潜在毒性，对生态系统和人类健康构成威胁。传统水处理方法如混凝沉淀、膜过滤等存在成本高、易产生二次污染等局限。吸附法因其高效、环保的特点备受关注，但开发兼具高吸附容量和稳定性的新型材料仍是挑战。

Northern Border University（沙特阿拉伯北部边境大学）的研究团队创新性地将天然生物高分子丝胶蛋白（Sericin, SS）与环状寡糖β-环糊精（β-CD）复合到聚乙烯醇（PVA）纳米纤维中，构建了PVA-SS-CD三元复合材料。通过柠檬酸交联技术解决了水溶性组分在废水处理中的流失问题，并采用统计物理模型首次从分子层面解析了MB染料的吸附机制。相关成果发表于《Applied Materials Today》。

研究团队运用静电纺丝技术制备纳米纤维，结合场发射扫描电镜（FESEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外-可见-近红外光谱（UV-vis-NIR）表征材料特性。通过建立单能单层吸附模型（Model 1），计算了受体位点密度（N_m）、单点吸附分子数（n）等关键参数，并测定吉布斯自由能（ΔG）、焓变（ΔH）等热力学指标。

材料制备与表征

预交联的PVA-SS-CD纳米纤维呈现光滑均质结构，β-CD和SS的加入使纤维直径增大。热交联后纤维网络更致密，在水中浸泡24小时仍保持结构完整性。FTIR证实了材料中羟基（-OH）、氨基（-NH₂）等活性基团的存在，为染料吸附提供了结合位点。

吸附机制解析

统计物理模型显示：1）每个受体位点（n≈1）可结合1个MB分子，形成单分子层吸附；2）吸附能（ΔE₁<40 kJ/mol）表明主要为物理吸附；3）负值的ΔG（-8.21至-9.24 kJ/mol）和ΔH（14.28 kJ/mol）证实过程为自发、吸热。材料最大吸附容量达288 mg/g，显著优于传统吸附剂。

立体构效关系

β-CD的疏水空腔通过包合作用捕获MB分子，而SS的极性基团（-COOH/-NH₂）提供静电结合位点。PVA网络赋予材料机械强度，三者协同实现了高效吸附。

该研究不仅开发了性能优异的环保型吸附材料，更通过统计物理模型为吸附过程的分子机制提供了新见解。PVA-SS-CD复合材料在工业废水处理中展现出巨大应用潜力，其设计策略为功能性纳米纤维的开发提供了重要参考。研究团队特别指出，该材料的规模化生产成本较低，且不会产生二次污染，符合可持续发展理念。