天然硅藻土高效吸附去除废水中刚果红染料的机理与性能研究

本研究针对纺织印染废水处理难题，探索了天然硅藻土对阴离子染料刚果红（CR）的吸附性能与机理。通过系统表征和吸附实验，揭示了其以单层吸附为主、兼具表面异质性的高效去除特性，最大吸附容量达2.773 mg/g，为低成本废水处理提供了新材料和新思路。

　　

纺织印染行业是全球水污染的重要来源之一，其排放的废水中含有大量难以降解的有机染料，尤其是刚果红（Congo Red, CR）这类阴离子偶氮染料，具有毒性大、色度高、难生物降解等特点，对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。传统的物理化学处理方法如混凝、氧化等存在成本高、二次污染等问题，因此开发高效、低成本、环境友好的吸附材料成为研究热点。天然硅藻土作为一种来源广泛、价格低廉的硅质沉积岩，因其多孔结构、高比表面积和表面活性位点丰富等特点，在废水处理领域展现出巨大潜力。然而，关于其吸附刚果红的具体机理、容量和动力学特性尚缺乏系统研究，特别是对其吸附等温线、动力学模型及界面机制的深入解析仍显不足。

为此，研究人员开展了一项系统研究，旨在探究天然硅藻土对刚果红的吸附性能、机理和优化条件，相关成果发表在《Desalination and Water Treatment》上。

为开展本研究，作者主要采用了以下关键技术方法：使用来自阿尔及利亚西迪拉赫达尔（Sidi Lakhdar）地区的天然硅藻土样本，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDX）、激光粒度分析、BET比表面积测定和零电荷点（PZC）分析等手段对材料进行理化性质表征；通过批次吸附实验，考察了吸附剂用量、接触时间、初始浓度和pH值对刚果红去除率的影响；利用紫外-可见分光光度法（UV-Vis）定量残留染料浓度；采用非线性拟合方法对Langmuir、Freundlich、Temkin、BET和Sips等温线模型以及伪一级（PFO）、伪二级（PSO）、Weber-Morris和Boyd动力学模型进行拟合分析，以揭示吸附机制和限速步骤。

研究结果：

材料表征表明天然硅藻土具有多孔结构，主要成分为石英（SiO₂，约84%）和方解石（CaCO₃，约16%），BET比表面积为17.884 m²/g，零电荷点（PZC）为5.7，表明其在pH<5.7时表面带正电，有利于阴离子染料吸附。

吸附性能显示，在初始浓度10 mg/L、吸附剂用量0.5 g/100 mL、pH 7.0、25°C条件下，刚果红去除率最高可达87.45%，吸附容量随初始浓度增加而增大。

等温线拟合结果表明，Langmuir模型拟合最佳（R²=0.996），最大吸附容量Q_max为2.773 mg/g，表明吸附以单层为主；Freundlich和Sips模型也显示良好拟合，说明表面存在一定异质性；Sips模型参数m_s≈0.958进一步证实了表面的均质倾向。AICc和BIC模型选择标准均支持Langmuir为最优描述模型。

动力学研究表明，伪二级模型（PSO）最符合实验数据（R²=0.989），表明化学吸附可能是速率控制步骤；颗粒内扩散模型显示拟合曲线未过原点，说明膜扩散和内扩散共同影响吸附过程。

pH影响实验发现，溶液pH从初始7.1–7.3逐渐下降至5.2–5.4，有利于CR吸附，因染料阴离子与带正电的表面产生静电吸引。

研究结论与讨论：

本研究通过系统实验和模型分析，证实天然硅藻土对刚果红具有良好的吸附性能，其过程以单层化学吸附为主，兼具表面异质性，最大吸附容量达2.773 mg/g，伪二级动力学和Langmuir等温线能较好描述吸附过程。该材料来源广泛、成本低廉、环境友好，为印染废水处理提供了潜在的低成本吸附剂选项。未来研究可进一步探索实际废水中的应用、再生性能及改性提升途径。本研究不仅深化了对天然硅藻土吸附机理的理解，也为工业废水处理提供了新材料选择和理论依据。