壳聚糖-木质素生物复合材料对RO16染料和Cr(VI)重金属的吸附机制：基于统计物理模型的微观与宏观解析

本研究针对工业废水中难降解的活性橙16(RO16)染料和六价铬(Cr(VI))污染问题，开发了壳聚糖-木质素(chitosan-lignin)生物复合材料。通过FT-IR、SEM、XRD等技术表征材料特性，结合创新的异质双功能基单层模型(HMLM2FG)进行统计物理分析，揭示吸附过程遵循多离子机制(n>1)和物理吸附特性(ΔE=4.88-16.97 kJ/mol)，最大吸附量达79.76 mg/g(RO16)和72.61 mg/g(Cr(VI))。该研究为开发高效环保型水处理材料提供了理论依据和实践方案。

　　

随着工业快速发展，纺织、电镀等行业排放的含染料和重金属废水已成为严峻的环境挑战。其中，活性橙16(RO16)作为典型的偶氮染料，其分子中的-N=N-结构使其难以自然降解，而六价铬(Cr(VI))更是具有强致癌性。传统水处理方法面临成本高、效率低等问题，开发新型生物吸附材料迫在眉睫。壳聚糖(chitosan)虽具有良好生物相容性，但存在机械性能差、吸附容量有限等缺陷。这项发表在《BMC Chemistry》的研究创新性地将壳聚糖与木质素(lignin)复合，通过非共价相互作用构建高性能吸附材料，并首次运用统计物理理论揭示了微观吸附机制。

研究采用溶液共混法制备chitosan+50% lignin复合材料，通过FT-IR分析官能团变化，SEM观察形貌特征，XRD测定晶体结构，BET分析比表面积和孔径分布。吸附实验在25-45℃、pH 2-8条件下进行，UV-Vis分光光度法测定RO16(580 nm)和Cr(VI)(545 nm)浓度。采用四种统计物理模型(HMLM1FG/HMLM2FG/HDLM1FG/HDLM2FG)拟合等温线，通过决定系数(R²)和均方根误差(RMSE)评估模型适用性。

材料表征结果显示：FT-IR证实复合材料中木质素的羟基与壳聚糖的氨基形成氢键，特征峰从1562 cm^-1位移至1515 cm^-1。

XRD表明木质素加入使材料非晶化程度增加，BET测试显示复合材料比表面积(2.55 m²/g)显著高于纯壳聚糖(2.11 m²/g)。zeta电位测定表明复合材料等电点(pH_PZC=2.5)较低，在酸性条件下表面质子化有利于阴离子污染物吸附。

吸附机制分析发现：HMLM2FG模型最佳拟合实验数据(R²>0.999)，证实材料表面存在两类功能基团。参数n值(1.06-1.84)表明吸附为非平行取向的多离子机制，温度升高导致n值减小，说明热运动抑制了离子聚集。最大吸附量Q_M随温度升高而增加(RO16:59.43-79.76 mg/g; Cr(VI):52.06-72.61 mg/g)，吸附能ΔE(4.88-16.97 kJ/mol)属于物理吸附范畴。热力学分析显示熵变曲线呈钟形，在特征浓度C₁/C₂处达到最大值，反映吸附过程中体系有序度的动态变化。

分子相互作用解析：静电吸引发生在质子化氨基(-NH₃⁺)/羟基(-OH₂⁺)与污染物阴离子之间；氢键形成于材料供体原子与染料-S=O基团之间；n-π作用则涉及复合材料杂原子与染料芳香环的电子转移。

再生实验显示，经过5次吸附-脱附循环后，材料对RO16和Cr(VI)的去除率仍保持93.12%和90.47%。

该研究通过实验与理论模型的创新结合，首次从统计物理角度阐明了生物复合材料的多功能基协同吸附机制。提出的HMLM2FG模型突破了传统等温模型的局限，能够量化描述吸附位点异质性和分子水平相互作用。研究成果不仅为设计高性能环境修复材料提供了新思路，其方法论框架也可拓展应用于其他污染物体系的研究。特别是材料展现出的良好再生性能，对于降低水处理成本、推动吸附技术的实际应用具有重要意义。未来研究可进一步优化复合材料比例，并验证其在复杂工业废水中的处理效能。