多相金属硼酸盐/碳纳米复合材料用于高效去除废水中碱性蓝41的研究

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Engineering Novel Nanocomposites Containing Multiphase Metal Borates and Carbon for Basic Blue 41 Sequestration from Wastewater

本研究针对废水中持久性阳离子染料碱性蓝41(Basic Blue 41)的污染问题，通过Pechini溶胶-凝胶法成功制备了MBSM500和MBSM700两种多相金属硼酸盐/碳纳米复合材料。研究结果表明，在最佳条件下(pH=10, 298 K)，MBSM500可在60分钟内实现98.58%的去除率，最大Langmuir吸附容量达373.13 mg/g，显著优于多数文献报道的吸附剂。该材料可通过酸洗有效再生，在真实废水环境中仍保持优异性能，为工业染料废水处理提供了新型高效吸附剂解决方案。

　　

随着纺织、印染、造纸等工业的快速发展，合成有机染料的大量使用和排放已成为水环境污染的重要来源。其中，碱性蓝41(Basic Blue 41)作为一种典型的阳离子染料，因其色泽鲜艳、染色牢度好而被广泛应用，但同时也因其高度的化学稳定性和潜在的生物毒性，成为水处理领域的重点难点污染物。这种染料分子含有芳香环和杂原子结构，能够在自然环境中长期存留，不仅造成水体感官污染，还会抑制水生植物光合作用，甚至通过生物累积效应对生态系统和人类健康产生威胁。

传统的水处理方法如混凝沉淀、膜分离、光催化降解和生物处理等，在实际应用中存在成本高、效率低、二次污染等问题。特别是在处理低浓度、高稳定性的染料污染物时，往往难以达到理想的去除效果。因此，开发新型高效、经济可行的吸附材料成为当前环境材料研究的热点方向。

在此背景下，沙特阿拉伯伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学的研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》上发表了一项创新性研究，他们通过巧妙的材料设计，成功开发出两种新型纳米复合材料——MBSM500和MBSM700，为碱性蓝41的高效去除提供了新的解决方案。

研究人员采用Pechini溶胶-凝胶这一经典的材料合成方法，通过精确控制热处理温度（500°C和700°C），成功制备了两种具有不同相组成和微观结构的纳米复合材料。该方法利用酒石酸作为螯合剂，聚乙二醇400作为聚合剂，形成了均匀的有机-无机前驱体网络，最终热解得到目标产物。

材料表征结果

X射线衍射分析表明，MBSM500由Mg₂B₂O₅、Sr₂B₂O₅和MnO₂三相组成，平均晶粒尺寸为48.63纳米；而MBSM700则包含Mg₂B₂O₅、SrB₂O₄和Mn₂(BO₃)O三相，晶粒尺寸增大至63.02纳米。能谱分析证实两种材料均含有B、C、O、Mg、Mn、Sr等元素，其中MBSM500的残碳含量更高（13.5%），而MBSM700的金属元素含量相对较高。

扫描电镜和透射电镜观察显示，MBSM500呈现出松散的花菜状团聚结构，由片状和flake状纳米粒子组成；而MBSM700则表现为更致密的 quasi-spherical纳米颗粒聚集态。这种结构差异直接影响了两者的吸附性能：MBSM500更大的比表面积和更开放的孔隙结构为其提供了更多的活性位点。

吸附性能优化

pH影响研究表明，碱性条件（pH=10）最有利于碱性蓝41的吸附，此时MBSM500和MBSM700的表面带负电，与带正电的染料分子产生强烈的静电吸引。点零电荷测定显示MBSM500和MBSM700的pH_PZC分别为5.41和6.53，为吸附机制的解释提供了重要依据。

动力学研究表明，吸附过程符合准一级动力学模型，MBSM500的吸附速率常数（0.06579 min^-1）显著高于MBSM700（0.04774 min^-1），表明其更快的吸附动力学。热力学参数表明吸附为自发的放热过程，ΔH°值小于40 kJ/mol，证实了以物理吸附为主的吸附机制。

等温吸附研究显示，Langmuir模型能更好地描述吸附行为，MBSM500的最大吸附容量达到373.13 mg/g，远高于MBSM700的290.69 mg/g，也优于文献报道的大多数吸附材料，如葡萄渣/二氧化硅复合材料（268.10 mg/g）和石墨烯氧化物/膨润土/铜钴氧化物（351.10 mg/g）等。

再生与实用性评估

再生实验表明，使用2M HCl可实现对吸附剂的几乎完全再生（脱附率>99%）。经过5次吸附-脱附循环后，MBSM500仍能保持92.44%的去除效率，展示了良好的循环使用性能。在真实实验室废水环境中，尽管存在多种竞争离子，MBSM500仍能实现355.34 mg/g的吸附容量，仅比在去离子水中降低约5%，证明了其在实际应用中的潜力。

竞争吸附实验进一步验证了材料的选择性吸附能力。在Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等常见阳离子存在下，材料仍能保持较高的吸附性能，而对阴离子（Cl^-、NO₃^-）的抗干扰能力更强。不过，当存在其他阳离子染料（如亚甲蓝、结晶紫）时，竞争效应较为明显，这为后续材料改性提供了方向。

这项研究的创新之处在于首次将多相金属硼酸盐与碳材料有机结合，通过组分和结构的协同效应，实现了对碱性蓝41的高效吸附。材料中各组分各司其职：金属硼酸盐提供丰富的表面羟基和硼酸根基团，锰氧化物引入氧化还原活性位点，而残留的碳基质则通过π-π相互作用增强对染料芳香环的吸附能力。

研究结果表明，通过简单的Pechini溶胶-凝胶法可以制备出性能优异的染料吸附剂，为工业废水处理提供了新的材料选择。特别是MBSM500材料，以其高吸附容量、快速动力学和良好再生性能，展现出广阔的应用前景。这项工作不仅为解决染料污染问题提供了具体的技术方案，也为多相纳米复合材料的设计开发提供了新的思路和方法。