表面活性剂与离子液体双重功能化膨润土用于增强刚果红去除：RSM优化与机制解析

本研究针对工业废水中有毒偶氮染料造成的环境与健康风险，开发了十六烷基吡啶改性膨润土(HDP-B)和三辛基甲基铵改性膨润土(TOMA-B)两种新型吸附剂。通过响应面法(RSM-BBD)优化，HDP-B对刚果红(CR)的吸附容量达275.15 mg g-1，去除率达97.49%。研究揭示了疏水相互作用主导的吸附机制，DFT计算证实HDP-B与CR存在更强的电子耦合(Δμ=0.22 eV)，为工业废水处理提供了高效可重复使用的解决方案。

　　

现代工业的快速发展带来了严重的环境挑战，其中纺织工业排放的含偶氮染料废水尤为突出。刚果红(CR)等染料不仅降低水体透光性影响光合作用，其致癌性还可能引发基因突变。虽然吸附法因成本低、效率高被视为理想解决方案，但传统吸附材料如活性炭对疏水性污染物亲和力有限，而天然膨润土的亲水性也制约其应用。

为突破这一瓶颈，来自阿尔及利亚的研究团队创新性地采用两种改性策略：使用十六烷基吡啶(HDP)表面活性剂和三辛基甲基铵(TOMA)离子液体对钠基膨润土(Na-B)进行功能化，制备出HDP-B和TOMA-B两种吸附剂。通过系统研究，团队发现HDP-B展现出惊人的275.15 mg g^-1吸附容量，在pH 6条件下120分钟内实现97.49%的CR去除率。这项突破性成果发表在《Journal of the Indian Chemical Society》，为工业废水处理提供了新思路。

研究采用四大关键技术：1) 响应面法-博克斯贝肯设计(RSM-BBD)优化吸附条件；2) 非线性动力学和等温线模型分析吸附机制；3) 密度泛函理论(DFT)计算电子耦合效应；4) FTIR和XRD表征材料结构变化。阿尔及利亚Maghnia地区的天然膨润土经钠化处理后作为基质材料。

表征结果显示改性后的膨润土保持原有Si-O、Al-O等特征峰，但XRD证实层间距从Na-B的1.26 nm扩大至1.0HDP-B的1.92 nm和1.0TOMA-B的1.81 nm，BET比表面积分别提升至47.8 m²/g和39.6 m²/g。SEM观察到改性后表面由致密片层转变为疏松多孔结构。

吸附性能研究发现1.0HDP-B符合Elovich模型，表明非均相表面存在化学吸附；而1.0TOMA-B遵循伪二级动力学。等温线分析显示两者均符合Langmuir模型，理论最大吸附量分别为275.15 mg g^-1和213.22 mg g^-1。热力学参数ΔG⁰为负值(-18.24至-20.57 kJ mol^-1)，证实吸附是自发过程。

DFT计算揭示HDP-B与CR的电子耦合能(Δμ=0.22 eV)显著高于TOMA-B(0.15 eV)，与实验数据高度吻合。再生实验表明经过5次循环后，两种材料仍保持80%以上的吸附效率。

这项研究通过对比表面活性剂与离子液体改性策略，不仅证实HDP-B的卓越性能源于增强的疏水相互作用，更建立了"结构-性能"关系模型。TOMA离子液体因其低毒性(EC₅₀ 10-50 mg/L)展现出环保优势，而HDP-B的高效性则为紧急污染处理提供选择。研究成果为设计"按需定制"的粘土基吸附材料提供了理论依据，对发展中国家应对工业污染具有重要实践价值。