环保型ZrO2/ZnO/AC纳米复合材料高效同步去除水包油乳液中的染料与油脂污染物

语 本研究针对工业废水中油脂（O/W乳液）与甲基橙（MO）染料共存导致的处理难题，创新性地将绿色合成的ZrO2/ZnO纳米复合物负载于活性炭（AC），开发出多功能吸附剂ZrO2/ZnO/AC。该材料在24小时内实现油脂去除率92%、染料去除率98%，突破传统吸附剂对双污染物的同步去除瓶颈，为复杂废水治理提供高效单步解决方案。

　　

论文解读

工业废水中的油脂和染料污染如同环境中的"顽固污渍"。食用油厂、纺织企业排放的废水富含乳化油脂和剧毒甲基橙（MO）染料，这类物质不仅堵塞管道、消耗水体溶解氧，更因MO含难降解的偶氮基团(-N=N-)而在环境中长期累积，威胁水生生态系统。传统活性炭虽擅长吸油，却对亲水性染料束手无策；而化学氧化、膜分离等工艺成本高昂且难以同步去除双组分污染物。面对这一行业痛点，来自沙特阿拉伯艾哈萨本地市场原料采集团队的研究人员另辟蹊径，将目光投向纳米改性技术，开发出兼具亲油与亲水特性的ZrO₂/ZnO/AC三元纳米复合材料，其突破性成果发表于《Results in Chemistry》。

研究团队通过三个关键技术展开攻关：首先采用微波水热法，以天然指甲花（Lawsonia inermis）提取液为还原剂，在175°C下合成ZrO₂/ZnO异质结纳米颗粒；其次通过超声分散-搅拌工艺将纳米颗粒负载于商用活性炭；最后利用阳离子表面活性剂CTAB构建稳定的水包油（O/W）乳液体系，并通过动态光散射（DLS）和显微成像验证乳液稳定性（液滴尺寸170-180nm）。

材料特性揭示增效机制

电镜显示ZrO₂/ZnO以球状-棒状混合形态锚定于活性炭孔隙（图1），能谱分析证实其含5.2%锌锆元素。比表面积提升至51m²/g（AC原为46m²/g），但表面羟基增加导致疏水性降低，这解释了单独除油实验中原AC表现更优（98.2% vs 34.2%）。

双污染物去除展现协同优势

在含MO的O/W乳液中，三元复合材料性能发生质变：

• 染料吸附能力跃升（图9-10）：ZrO₂/ZnO/AC对MO的24小时吸附量达10mg/g，较单一AC提升10倍，归因于ZnO表面的羟基与MO磺酸基形成强静电作用
• 同步除油效率突破（表2）：pH=3.5时，复合材料对40mg/L MO和0.15mL油脂实现98% MO去除率+92%油脂去除率，远优于AC单独处理时的效率失衡
• 过程机制解析：酸性环境中ZrO₂带正电捕获阴离子染料，释放出的吸附位点促进油脂结合，形成"吸附-脱附-再吸附"动态协同

工艺参数优化指明应用路径

关键操作条件通过系统实验确立：

1. pH双效调控（图5）：酸性条件(pH=2.5-3.5)促进MO吸附，碱性条件(pH=8.5)通过皂化反应提升除油率至97%
2. 温度加速传质（图6）：45°C时除油率较20°C提升近1倍（63.1% vs 34.2%），归因于热能削弱乳液界面膜
3. 吸附剂剂量阈值（图7）：0.2mg剂量使除油率达75.2%，揭示工业应用需平衡成本与效率

这项研究颠覆了传统吸附材料的局限性，ZrO₂/ZnO/AC如同"环境清道夫"般实现单步双效净化。其核心突破在于：通过纳米异质结调控表面化学性质，使疏水性AC获得亲水"捕获爪"，同步锁定油滴与染料分子；绿色合成路径降低环境足迹，符合可持续化学原则。该技术为食品加工、印染行业的高复杂度废水提供了经济高效的解决方案，更启示了多污染物协同治理的新范式——未来可拓展至重金属-有机复合污染体系，推动水处理技术向"精准靶向、多元协同"的下一代进化。