Fe?O?/壳聚糖纳米复合材料用于去除刚果红：吸附效果优于光降解

《Materials Advances》：Fe 3O 4/Chitosan Nanocomposites for Congo Red Removal: Adsorption Surpasses Photodegradation

合成Fe3O4/壳聚糖纳米复合材料用于高效刚果红染料吸附与光催化降解，通过共沉淀法优化4:3质量比，实现98.8%吸附效率和96.4%光催化效率，揭示表面化学、光学特性与磁性的协同作用机制。

　　合成染料在纺织、造纸和印刷等行业中被广泛使用，因其鲜艳的色彩、化学稳定性和成本效益而备受青睐。然而，这些优势的背后也伴随着严重的环境代价。许多合成染料具有高毒性，难以生物降解，并且对传统的废水处理方法表现出较强的抗性。据估计，每年全球生产超过100万吨的合成染料，其中仅纺织行业就贡献了全球工业水污染的20%。在这些染料中，刚果红（Congo Red，简称CR）尤为引人关注。CR是一种常见的偶氮染料，因其强化学稳定性而在水体中表现出高度的持久性，可能通过生物累积对整个食物链产生毒性影响。其对自然降解的抵抗性以及潜在的健康危害，促使了对环境友好且高效的染料去除技术的研发。

磁铁矿（Fe?O?）纳米颗粒因其高比表面积、生物相容性和超顺磁性，被认为是染料去除的有前景材料。然而，磁铁矿纳米颗粒容易发生聚集，并且其化学稳定性有限，这在一定程度上限制了其在实际应用中的表现。壳聚糖（Chitosan，简称Cs）作为一种可生物降解且无毒的高分子材料，具有良好的吸附性能，能够通过引入氨基（?NH?）和羟基（?OH）基团，增强其对污染物的吸附能力。将磁铁矿与壳聚糖结合形成复合纳米材料，不仅可以实现高效的吸附性能，还能利用磁性特性进行简便的固液分离，这使其成为环境修复领域的重要候选材料。

已有研究表明，基于磁铁矿的复合材料在CR降解方面具有显著的潜力，尤其是在可见光照射下通过光催化机制发挥作用。例如，Maruthupandy等人（2022）使用Fe?O?/Cs（50 mg）对CR（6.7 ppm）进行了光降解实验，在可见光照射下60分钟内实现了98%的降解效率。同样，Banisharif等人（2013）利用Fe?O?/TiO?（50 mg）对CR（20 ppm）进行光降解，在可见光照射下60分钟内实现了完全降解。这些研究结果突显了基于磁铁矿的纳米复合材料在促进快速染料降解方面的高效性。然而，在没有光照的情况下，这类材料主要依赖于吸附作用进行染料去除，这通常需要更长的反应时间，且去除效率较低。Wang等人曾使用Fe?O?/Cs（50 mg）在黑暗条件下完全去除CR（100 ppm），耗时约180分钟。尽管这一研究展示了磁铁矿基材料的可行性，但许多研究仍使用低浓度CR或较长的反应时间。相比之下，?entürk（2023）研究发现，G@Fe?O?@Cs（15 mg）在60°C下仅需3小时即可去除100 ppm的CR，而Fe?O?/Cs（20 mg）在20分钟内实现了93.7%的CR去除率，这表明化学修饰对提高去除效率具有重要意义。

与常见的催化剂如二氧化钛（TiO?）和氧化锌（ZnO）相比，Fe?O?/Cs纳米复合材料在分离效率和环境兼容性方面展现出独特优势。虽然TiO?和ZnO在紫外或可见光照射下表现出优异的光催化活性，但它们的回收通常需要离心或过滤等能耗较高的工艺，这限制了其在连续或大规模应用中的可行性。相反，基于磁铁矿的纳米复合材料因其固有的磁性，可以通过外部磁场实现快速且简便的固液分离。此外，壳聚糖的引入不仅增强了材料的吸附能力，还改善了其在水中的分散性和稳定性，从而提升了其在实际应用中的性能。尽管这些材料在吸附和光催化方面都表现出良好的性能，但仍有进一步优化的空间，特别是在不需要复杂改性的前提下，实现高效率的染料去除。

为了探索这一方向，本研究采用共沉淀法合成Fe?O?/Cs纳米复合材料。共沉淀法是一种高度可重复且可控的合成方法，能够实现纳米颗粒的均匀形貌和可调组成。在实验中，通过调节Fe?O?与Cs的质量比（4:1、4:2、4:3、4:4），系统地评估了不同组分对CR去除效率的影响。研究发现，Fe?O?/Cs（4:3）纳米复合材料在吸附性能方面表现尤为突出，实现了98.8%的CR去除率，而在紫外光照射下的光催化降解效率为96.4%。这一结果表明，Fe?O?/Cs纳米复合材料在吸附和光催化两种条件下均能表现出优异的性能，其中吸附性能尤为显著。

Fe?O?/Cs纳米复合材料表现出优越的CR去除性能，主要源于其表面化学、光学行为和磁性特性的综合作用。尽管随着壳聚糖含量的增加，纳米颗粒的尺寸有所增大，这可能会对表面活性位点的可及性产生一定影响，但壳聚糖中的氨基和羟基基团增强了其对CR的吸附能力。此外，Fe?O?与壳聚糖之间的相互作用导致了更低的带隙能量，从而提升了材料的光学吸收能力，进一步促进了光催化降解过程。磁铁矿和Fe?O?/Cs纳米复合材料还表现出软铁磁性特性，其中壳聚糖虽然略微降低了磁化强度，但有效防止了纳米颗粒的聚集，从而提高了其在水中的分散性、稳定性和活性位点的可及性。这些特性共同作用，使得Fe?O?/Cs（4:3）成为在吸附和光催化两种条件下均表现最佳的纳米复合材料。

在黑暗条件下，CR的去除效率明显高于在紫外光照射下的光催化降解效率，这表明吸附作用是主要的去除机制。这种现象可能与紫外光照射下的光脱附有关，即在紫外光作用下，吸附在材料表面的CR分子可能会被释放到溶液中，从而影响光催化降解的效率。因此，在黑暗条件下，吸附作用可能占据了主导地位。从动力学分析来看，吸附和光催化降解过程均符合伪二级动力学模型（R2 > 0.98），这表明吸附过程主要以化学吸附为主。这一发现进一步支持了吸附在CR去除中的关键作用。

综上所述，Fe?O?/Cs纳米复合材料在CR去除方面展现出显著的潜力，尤其在吸附性能和光催化降解能力之间实现了良好的平衡。其独特的磁性特性使得材料在实际应用中具有更高的回收效率和重复使用可能性，而壳聚糖的引入则有效提升了其吸附能力和环境友好性。因此，Fe?O?/Cs纳米复合材料有望成为一种高效、可持续的材料，用于实际废水处理中的染料去除。尤其是在光照条件不足的环境中，吸附作用的主导地位使得该材料具备更广泛的应用前景。未来的研究可以进一步探索材料的结构优化和功能扩展，以提高其在不同环境条件下的适应性和效率。此外，针对实际工业废水的复杂成分，还可以研究该材料对多种污染物的协同去除能力，从而拓展其在环境治理中的应用范围。