利用新型环保的海绿石生物炭-铁氧体复合材料去除有毒结晶紫染料：吸附等温线、动力学及人工神经网络分析

《RSC Advances》：Toxic crystal violet dye removal by novel, eco-friendly seablite biochar–ferrite composite: adsorption isotherm, kinetics, and artificial neural network

本研究开发了一种新型生物炭复合吸附剂（FCOB），通过碱处理和共沉淀法将Suaeda monoica叶生物炭与NiCuZnFe?O?铁尖晶石结合。FCOB在pH 8时对CV染色的去除率达98.3%，最大吸附容量325.5 mg/g，且经5次再生后吸附容量仍＞275 mg/g。机理研究表明氢键、静电作用、表面配位及孔隙填充共同作用，动力学符合伪二阶模型，热力学证实吸附为自发、吸热过程。ANN模型预测性能良好（R2＞0.99）。FCOB为低成本、可重复使用的环保染料处理材料。

　　随着全球水资源需求的上升，水污染问题愈发严重，迫切需要高效的废水处理方法。吸附作为一种绿色且低成本的手段，因其简便性、高效率以及环境友好性而受到广泛关注。然而，传统的吸附材料常常面临可持续性和再生性方面的挑战。在这一研究中，科学家们开发了一种新型吸附材料——通过将*Suaeda monoica*叶粉（LP）在300°C下进行热解生成生物炭（BC300），再经过碱处理并与NiCuZnFe?O?尖晶石复合，最终制备成一种铁氧体-生物炭复合材料（FCOB）。这种新型吸附材料在去除水溶液中的结晶紫（CV）染料方面表现出色，为解决水污染问题提供了可行的方案。

从实验结果来看，FCOB的结构和表面特征通过FE-SEM图像得到了详细分析，显示出层状的形态。FTIR分析则揭示了多种吸附机制，包括氢键作用、静电吸引、表面络合以及孔隙填充，这些机制共同作用，使得CV的吸附过程更为高效。通过优化实验条件，研究人员发现FCOB在pH值为8时，对CV的去除效率达到最高，同时在30 mg的吸附剂量下，即使在高达200 mg L?1的染料浓度下，仍能保持超过95%的去除率。当染料浓度进一步提高至150和250 mg L?1时，达到平衡所需的时间延长至120分钟。这些结果表明，FCOB在吸附CV方面具有良好的性能和适应性。

Langmuir模型显示，CV在FCOB上的吸附为单层吸附，最大吸附容量（q_max）达到325.5 mg g?1，表明该材料对CV具有较高的亲和力。而Dubinin–Radushkevich（D–R）模型（E < 8 kJ mol?1）则表明，吸附过程更倾向于物理吸附，说明FCOB的吸附能力在不同条件下表现出一定的可变性。在动力学研究中，伪二阶模型（PSO）能够很好地描述吸附过程，表明CV与FCOB的吸附具有化学性质。而在高浓度条件下，Elovich模型的拟合效果更好，反映出材料表面的异质性。从热力学角度分析，CV的吸附过程是自发且吸热的，ΔH°为49.03 kJ mol?1，进一步证明了其在环境中的广泛应用潜力。

在再生性能方面，FCOB在五次再生循环后仍能保持超过275 mg g?1的吸附能力，显示出良好的再利用特性。此外，人工神经网络（ANN）模型在预测吸附性能方面表现出色，通过输入pH值、染料浓度、吸附剂量、时间以及温度，能够实现对吸附效果的高精度预测（R2 > 0.99）。这一结果不仅验证了FCOB的高效吸附性能，也为未来的吸附研究提供了新的思路和方法。

从研究背景来看，CV是一种广泛使用的阳离子三苯甲烷染料，因其强亲和力与负电荷表面结合，被用于多种应用，包括pH指示、纺织染色、革兰氏染色、组织学、抗菌以及指纹检测等。然而，CV在水环境中具有潜在毒性，可能对皮肤、眼睛、肝脏、肾脏以及呼吸系统造成危害。因此，去除CV对于保护人类健康和确保可持续的水供应至关重要。

尽管有多种废水处理技术可用于CV的去除，如化学处理、生物处理以及物理处理等，但这些方法在实际应用中往往受到高成本、高能耗以及二次污染等因素的限制。例如，化学处理中的高级氧化工艺（如芬顿、臭氧氧化以及光催化反应）虽然可以有效降解或去除CV，但通常需要较高的操作成本和能量需求。生物处理方法，如生物吸附、藻类、厌氧和好氧处理、真菌、细菌以及酶处理等，虽然具有环境友好性，但通常需要较大的土地面积和较长的停留时间，同时对温度、pH值以及毒性变化较为敏感，这可能影响处理过程的稳定性。

相比之下，物理处理方法，如吸附、沉淀、浮选、膜过滤以及絮凝等，具有操作简便、成本低廉以及易于管理等优势。其中，吸附方法因其广泛适用性、高效率以及环境友好性而成为处理CV染料的首选。然而，传统吸附材料如活性炭，虽然具有较高的吸附能力，但其高制造成本、较差的选择性、环境影响以及再生困难等问题限制了其在实际应用中的推广。因此，开发一种具有可持续性和再生能力的新型吸附材料显得尤为重要。

*Suaeda monoica*是一种卤素植物，广泛分布于印度古吉拉特邦、拉贾斯坦邦、泰米尔纳德邦以及安得拉邦的盐碱地区。该植物能够在极端的高盐度和干旱环境中生长，其生物质富含木质素、纤维素以及多种矿物质和功能基团，这使得它成为生物炭合成的有潜力的前驱体。在本研究中，研究人员通过热解、碱处理以及与NiCuZnFe?O?尖晶石的共沉淀，成功制备了具有优异吸附性能的FCOB吸附材料。

在材料表征方面，FE-SEM图像显示了BTBC和FCOB的表面形态变化，其中BTBC具有海绵状结构，而FCOB则呈现出较为紧密的层状和折叠结构。这种结构变化可能与碱处理和尖晶石的引入有关。EDS分析进一步证实了FCOB中Fe、Ni、Cu以及Zn等元素的存在，表明尖晶石成功结合到了生物炭表面。同时，XRD分析显示了FCOB的晶体结构变化，揭示了NiCuZnFe?O?尖晶石的成功合成和结合。FTIR分析则显示了材料表面功能基团的变化，包括氢键、静电作用、π-π相互作用以及表面络合等机制，共同促进了CV的吸附过程。

此外，Zeta电位分析表明FCOB在所有pH条件下均具有负电荷，这有利于其在碱性pH环境中的吸附。通过DLS方法测得的粒径数据进一步支持了材料的物理特性，显示了材料表面的异质性。AFM分析则提供了材料表面粗糙度的详细信息，揭示了吸附过程对材料表面结构的影响。

热重分析（TGA）结果表明，BC300、BTBC以及FCOB均表现出类似的三阶段分解曲线，其中第一阶段对应于物理吸附水的蒸发，第二阶段涉及可分解成分的断裂，第三阶段则与残余木质素的降解以及固定碳的氧化有关。这些分析不仅揭示了材料的热稳定性，也为其在实际废水处理中的应用提供了理论依据。

在吸附性能研究中，实验条件的优化表明，FCOB在pH 8、30 mg吸附剂量以及200 mg L?1的初始染料浓度下表现出最佳吸附效果。此外，随着温度的升高，吸附容量也随之增加，进一步证明了吸附过程的吸热性。动力学研究表明，伪二阶模型能够较好地描述吸附过程，而Elovich模型在高浓度条件下表现更佳，这表明吸附过程受到材料表面异质性的影响。

热力学参数分析显示，CV在FCOB上的吸附过程是自发且吸热的，ΔG°为负值，表明该过程在自然条件下可以发生。同时，ΔH°为正，进一步支持了吸附过程的吸热性。这些参数为理解吸附机制和优化处理条件提供了重要依据。

ANN模型的应用不仅提高了对吸附性能的预测能力，还为吸附过程提供了新的研究视角。通过训练ANN模型，研究人员能够快速预测不同条件下的吸附效果，为实际应用提供了便捷的工具。这一模型的高精度预测能力（R2 > 0.99）表明其在吸附研究中的广泛应用前景。

综上所述，FCOB作为一种新型的吸附材料，具有高吸附容量、良好的再生性能以及环境友好性，为CV染料的去除提供了高效且可持续的解决方案。该研究不仅为水污染治理提供了新的思路，也为开发新型吸附材料奠定了理论基础。未来的研究可以进一步优化吸附材料的性能，提高其吸附速率，同时探索其在其他污染物去除中的应用潜力。