改性壳聚糖-氧化锌纳米颗粒珠高效去除水体阳离子染料Basic Blue 3的机理与应用研究

本文推荐一项关于改性壳聚糖-氧化锌纳米颗粒珠（Cht-ZnO）高效吸附去除阳离子染料Basic Blue 3（BB3）的研究。该研究在氮气环境下制备Cht-ZnO复合材料，通过多种表征手段（FTIR、XRD、SEM-EDX、TGA）证实其结构稳定性与表面活性位点，系统探讨吸附条件（浓度、pH、时间、用量）对去除率的影响，并揭示其吸附行为符合Freundlich等温线（R2 = 0.9934）和伪二级动力学模型（R2 = 1），最大吸附容量达1250 mg/g，且材料具备良好的再生性能，为废水处理提供了一种绿色高效的吸附剂方案。

　　

引言

合成染料特别是碱性染料是废水中的主要污染物之一，对水体生态和人类健康构成严重威胁。Basic Blue 3（BB3）作为一种阳离子染料，具有毒性和致癌性，其排放会阻碍水中阳光透射，影响水生生物的光合作用。当前废水处理技术包括絮凝、离子交换、光催化降解和吸附等，其中吸附法因高效、经济且环境友好而备受关注。壳聚糖（Chitosan, Cht）作为一种生物高分子材料，因其丰富的官能团（如氨基和羟基）、生物相容性和可降解性而被广泛研究，但其在酸性介质中易溶解、比表面积低等缺点限制了其应用。通过将氧化锌（ZnO）纳米颗粒与壳聚糖复合，可显著提升材料的稳定性和吸附性能。本研究旨在开发一种在氮气环境下制备的改性壳聚糖-氧化锌纳米颗粒珠（Cht-ZnO），用于高效去除水体中的BB3染料，并系统研究其吸附机理与再生能力。

实验部分

研究采用Sigma-Aldrich提供的壳聚糖和BB3染料，以及R&M Chemicals的氧化锌纳米颗粒。Cht-ZnO的制备过程中，将ZnO粉末加入醋酸和硝酸混合液，随后加入壳聚糖并在氮气氛围下搅拌4小时，经超声处理和pH调整后，最终干燥得到复合吸附剂。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）和热重分析（TGA）对材料进行表征。吸附实验采用批次法，考察初始浓度（100–500 mg/L）、pH（2–12）、接触时间（5–720分钟）和吸附剂用量（0.005–0.03 g）对BB3去除率的影响，并通过紫外-可见分光光度计在654 nm波长下监测染料浓度。吸附容量和去除率分别通过公式计算，其中qe = V(Ci - Cf)/W，%R = (Ci - Cf)/Ci × 100。再生实验通过将吸附后的Cht-ZnO在蒸馏水中进行解吸，循环使用4次以评估其重复利用性能。

结果与讨论

表征结果显示，Cht-ZnO的FTIR光谱在516 cm^?1处出现O-Zn-O伸缩振动峰，证实ZnO成功负载到壳聚糖上。吸附BB3后，O?H（3356 cm^?1）和C=O（1656 cm^?1）峰发生红移和强度降低，表明染料与吸附剂之间存在氢键和静电相互作用。XRD图谱显示Cht-ZnO具有典型的ZnO晶体结构（JCPDS 36-1451），平均晶粒尺寸较小（0.0791–0.210 nm），有利于提供更多吸附位点。SEM图像显示Cht-ZnO呈多孔球形结构，吸附后表面被染料覆盖，EDX分析进一步证实吸附后碳和氮元素含量增加，而锌和氧元素减少。TGA表明Cht-ZnO的热稳定性显著提升，残渣量达40%（Cht仅为20%）。

吸附优化实验表明，在初始浓度400 mg/L、pH 12、吸附剂用量0.01 g、接触时间60分钟的条件下，BB3去除率可达98.6%。高pH下的高效吸附归因于Cht-ZnO表面去质子化，增强与阳离子染料的静电吸引。吸附等温线拟合显示Freundlich模型（R² = 0.9934）优于Langmuir模型（R² = 0.9239），表明多层吸附和表面异质性主导了吸附过程。动力学研究符合伪二级模型（R² = 1），计算吸附容量为833.3 mg/g，表明化学吸附为速率控制步骤。与文献报道的其他吸附剂（如分子印迹聚合物和低成本锯屑）相比，Cht-ZnO对阳离子染料的吸附容量更高。再生实验显示，蒸馏水解吸后，Cht-ZnO在4次循环中仍保持51%的脱附效率，证明其具有良好的重复使用潜力。

结论

本研究成功制备了氮气环境下改性的Cht-ZnO纳米颗粒珠，其表现出优异的BB3染料吸附性能。最优条件为pH 12、吸附剂用量0.01 g、接触时间60分钟，Freundlich等温线和伪二级动力学模型揭示了其多层吸附和化学吸附机制。材料的高吸附容量（1250 mg/g）、结构稳定性和再生能力使其成为一种有前景的废水处理吸附剂。未来研究可进一步探讨温度对吸附热力学的影响，并在实际水体（如湖泊水、工业废水）中验证其应用潜力，以推动其在实际环境中的规模化应用。