葡聚糖稳定过氧化钙纳米颗粒的绿色合成及其对水中亮绿染料的高效降解研究

本研究针对合成染料废水污染问题，开发了葡聚糖稳定过氧化钙纳米颗粒（dex@CPnps），通过响应面法优化降解条件，实现了90.18%的亮绿染料降解率，为绿色水处理技术提供了新方案。

　　

合成染料在现代工业中广泛应用，但随之而来的水污染问题日益严重。亮绿（Brilliant Green, BG）作为一种常见的工业染料，具有毒性大、难降解的特性，对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。传统的污水处理方法往往难以有效去除这类持久性污染物，迫切需要开发高效、环保的新型处理技术。

在此背景下，高级氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs）因其能产生高活性自由基彻底降解污染物而备受关注。过氧化钙（Calcium Peroxide, CP）作为一种环境友好型氧化剂，在水溶液中可缓慢释放过氧化氢（H₂O₂）和氧气（O₂），为AOPs提供了可持续的氧化源。然而，普通CP颗粒存在易团聚、分解快、稳定性差等问题，限制了其实际应用。纳米化是提高CP反应活性的有效策略，但需要合适的稳定剂防止纳米颗粒聚集。

近期发表在《Next Materials》上的研究报道了一种创新解决方案：通过葡聚糖（Dextran）作为稳定剂，制备出分散性良好的葡聚糖稳定过氧化钙纳米颗粒（dextran-stabilized calcium peroxide nanoparticles, dex@CPnps），并系统评估了其对亮绿染料的降解性能。这项研究不仅开发了一种新型纳米材料，还通过实验优化和机理探究，为实际废水处理提供了理论依据和技术参数。

研究人员采用沉淀法合成dex@CPnps，通过多种表征技术（包括X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)等）证实了材料的成功制备和特性。通过单变量法和响应面法(RSM)优化了氧化剂用量、溶液pH和接触时间等关键参数，并进行了动力学模型拟合和催化剂重复使用实验。

3.1. Characteristics of dex@CPnps

通过FTIR、XRD、XPS、TGA、SEM-EDX和DLS等多种表征技术证实，成功合成了葡聚糖稳定的过氧化钙纳米颗粒。FTIR显示了葡聚糖特征峰和CaO₂的O-O伸缩振动峰；XRD图谱与CaO₂标准卡片匹配良好，平均晶粒尺寸为8.52 nm；XPS证实了O、Ca、C元素的存在；TGA显示材料具有良好的热稳定性；SEM显示颗粒形貌；DLS表明颗粒尺寸分布较窄，平均粒径为59 nm，多分散指数(PDI)为0.336。

3.2. Effect of individual factors

通过单变量实验发现，氧化剂用量、反应时间和溶液pH对BG染料降解效率有显著影响。最佳条件为：氧化剂用量1.5 g/L，反应时间40 min，溶液pH 5，此时降解效率分别达到59.43%、59.02%和78.62%。

3.3. RSM model development and regression analysis

采用中心复合设计(CCD)和响应面法(RSM)建立了二次多项式模型，方差分析(ANOVA)显示模型显著(p < 0.0001)，R2值为0.9892。各因素对降解效率的影响顺序为：氧化剂用量 > 溶液pH > 接触时间。

3.4. Interactive effect analysis among the parameters

三维响应面图分析表明，氧化剂用量与溶液pH之间存在显著交互作用。酸性条件(pH 5.076)和高氧化剂用量(1.687 g/L)有利于提高降解效率，这与Fenton-like反应在酸性条件下更易产生羟基自由基(·OH)的特性一致。

3.5. Experimental verification of predictive results

在模型预测的最优条件(氧化剂用量1.687 g/L，pH 5.076，接触时间46.556 min)下进行验证实验，实际降解效率达到90.18%，与预测值(90.561%)高度吻合。

3.6. Kinetic analysis

动力学研究表明，BG染料降解过程更符合伪二级动力学模型(PSO)，最高速率常数(k₂)为0.0871 M^-1min^-1，表明降解过程以化学吸附为主。

3.7. Reusability study

重复使用实验表明，dex@CPnps在经过4次循环使用后仍保持65.45%的降解效率，显示出良好的稳定性和重复使用性。

该研究成功开发了一种葡聚糖稳定的过氧化钙纳米材料，并通过系统实验证明了其在染料废水处理中的高效性。研究不仅优化了降解工艺参数，还深入探究了反应机理和动力学特征，为实际应用提供了充分的理论依据。 dex@CPnps作为一种绿色、高效的纳米材料，在环境修复领域展现出广阔的应用前景，特别是在难降解有机污染物的治理方面具有重要价值。研究的创新性在于将天然多糖与无机过氧化物结合，既提高了材料的稳定性，又增强了其环境相容性，为开发新型环境功能材料提供了新思路。