海藻酸钠（SA）基环保纳米复合材料用于纺织废水管理：发展、应用与未来方向

《RSC Advances》：Sodium alginate-based eco-friendly nanocomposites for textile wastewater managementOpen Access

　　

全球纺织生产持续增长，不断加剧了人们对未经处理的含染料废水排入环境的担忧。纺织废水通常色深，并具有高 pH、高生化需氧量（biochemical oxygen demand, BOD）、高化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）、高总溶解固体（total dissolved solids, TDS）和高总悬浮固体（total suspended solids, TSS）等特征。此外，纺织染料对活细胞表现出高毒性、致癌性、遗传毒性和致突变性。因此，出于环境可持续性考虑，亟需在废水排入水体之前改善其水质。为此，研究人员正在探索各种纺织废水处理技术，许多研究目前采用纳米材料，因为其独特性质和易定制性使其在该目的下具有高效性。海藻酸钠（sodium alginate, SA）是一种储量丰富、环境友好且成本有效的生物聚合物，可有效用作废水处理吸附剂。此外，对 SA 进行改性或将其与其他材料复合形成复合材料，可显著增强其功能特性，拓宽其在先进环境应用中的潜力。在本综述中，研究人员重点介绍 SA 基纳米复合材料用于有效纺织废水处理的发展与应用。最后，该综述提供了关于 SA 基材料当前局限性的见解，并为提高其性能和适用性的未来研究方向提出建议。

1. Introduction
纺织废水管理已成为全球挑战，纳米技术因其独特性质和可定制性成为有前景方案。纳米材料包括石墨烯、金属/金属氧化物纳米粒子、碳基纳米材料和金属有机框架（MOFs）。SA 源自褐藻，生物相容、可生物降解、成本低，可固定纳米粒子、酶或微生物，并通过成凝胶形成高比表面积珠/膜。本综述聚焦 SA 基纳米复合材料用于纺织废水处理。

1.1 Water scarcity and toxicity of textile dyes
水稀缺影响近三十亿人，全球淡水使用量持续增长。纺织废水色深，含高 pH、BOD、COD、TDS 和 TSS。纺织染料具毒性、致癌性、遗传毒性和致突变性。纺织工业产生 54% 总染料废水，染料年产量 1,000,000 吨，染色过程 10–15% 未结合，2–20% 直接排放，且不可生物降解。

1.2 Techniques for dye removal from wastewater
现代技术包括吸附、高级氧化过程（AOPs）、膜过滤、生物处理和电化学过程。吸附将污染物转移到吸附剂表面；AOPs 产生羟基自由基；膜过滤分离污染物；生物处理利用微生物。吸附被 USEPA 认为最有效，效率可达 99.9%。纳米材料尺寸 1–100 nm，高比表面积。SA 含羧基和羟基，通过离子交换、螯合和氢键去除重金属、染料和悬浮固体。

1.3 Novelty and scope of review
近期综述多从宽泛水处理角度讨论 SA 基材料，较少关注纺织废水。本综述专门关注 SA 基纳米复合材料用于纺织废水尤其染料去除，整合聚合物、黏土、金属和金属氧化物改性，讨论机制、优势局限、稳定性、重复使用和未来发展。

2. Alginate structure and physical properties
藻酸盐是线性多糖，由 β-d-mannuronic acid 和 α-l-guluronic acid 经 α,β-(1,4)-糖苷键构成，二价阳离子下形成水凝胶。SA 生物安全、生物相容、可再生、抗菌、非免疫原性、成本低。SA 与 Ca²⁺、Ba²⁺、Mg²⁺ 等交联形成三维网络。纯 SA 膜水溶性高、机械强度有限，交联可降低亲水性并增强机械性能。

2.1 Significance of SA
SA 廉价易得，可与无机材料或聚合物形成网络载体。其 M/G 比影响凝胶刚性、弹性、孔隙率和溶胀。高 G 形成刚性强凝胶，高 M 形成柔软弹性凝胶。实验室研究以合成染料为主，但也有真实纺织废水研究，如固定化 Candida tropicalis 填充床、聚乙烯亚胺接枝钙藻酸盐珠、双网络水凝胶、磁性钴铁氧体-藻酸盐和 SA/膨润土复合，显示实际应用潜力。

3. Sodium alginate (SA) and its modification
SA 可构建水凝胶和气凝胶，复合和交联提高容量、稳定性和重复使用性。疏水改性可接枝 poly(butyl methacrylate)。SA 基水凝胶和气凝胶对阳离子和阴离子染料有效，容量可达 100–4000 mg g^?1。水凝胶常与木质素、活性炭、黏土、石墨、PEI、PVA、κ-carrageenan、TiO₂、Fe₂O₃ 等复合；气凝胶具有 >90% 孔隙率和快速传质。

4. SA-based nanocomposites in wastewater treatment
纳米复合材料分为金属基、陶瓷基和聚合物基。纳米材料可降低 TSS、COD、BOD 和有害物质。SA 存在回收差和吸附容量有限等局限，SA 基复合材料可改善性能，纳米填料包括纳米黏土、纳米粒子和碳纳米管。

4.1 Sodium alginate/polymer nanocomposite
SA 与 PVP、PVA 和 PANI 等聚合物复合产生协同染料去除效果。SA/PVP/TiO₂ 去除阳离子染料并可循环；SA/PVA 纳米纤维膜吸附 methyl blue、basic fuchsin 和 methylene blue；SA/PANI 具有 pH 响应吸附能力。

4.2 Electrospinning SA nanofibers
电纺纳米纤维高孔隙率、小孔径、良好连通性和高比表面积，适合过滤和吸附。复合膜结合纳米纤维与微纤维结构。电纺纳米纤维通过物理吸附、化学吸附和静电吸引去除污染物。电纺环保，但原始聚合物纳米纤维仍有局限。

4.3 Crosslinked sodium alginate nanocomposites
交联 SA 纳米复合材料通过多价阳离子如 Ca²⁺ 或硫酸钙改善性能。氧化石墨烯或蒙脱土等纳米材料掺入后交联可增强机械和化学性能。交联影响吸水和溶胀。交联 SA 纳米复合材料具有增强机械强度、控制释放和稳定性。

4.4 Sodium alginate/clay nanocomposites
黏土基纳米复合材料丰富、经济、表面积高。黏土表面负电荷去除阳离子染料，改性后可去除阴离子染料。SA 与黏土结合，黏土多孔结构通过范德华力、氢键、静电和疏水相互作用吸附，SA 作为黏合剂或稳定剂。

4.5 Sodium alginate metal/metal oxide nanocomposites
SA 与金属或金属氧化物结合具有吸附和光催化协同。TiO₂、CeO₂、ZnO、FeO、NiO、SnO₂、CuO 等纳米粒子用于有色废水处理。

5. Environmental impact and sustainability
SA 环境友好、可生物降解，降解无有毒副产物，符合循环经济。传统化学混凝和活性污泥法成本高、能耗大、产生污泥和有毒试剂。SA 复合材料使用海洋可再生资源，碳足迹低于聚丙烯酰胺，能耗较低，并可回收未耗尽染料和无机盐。

6. Advantages and potential challenges
优点包括官能团丰富、可调、可吸附重金属、染料和有机污染物，可重复使用、廉价，可制成珠或水凝胶。局限包括机械强度低于合成聚合物、高压系统受限，规模化生产困难，原料质量差异。

7. Applications
SA 纳米复合材料用于去除纺织废水中染料和重金属。功能纳米粒子如铁氧化物、TiO₂、碳纳米管和氧化石墨烯掺入 SA 基质提高吸附和降解。

7.1 Sodium alginate@carbon nano-particles
g-C₃N₄NS/藻酸盐复合去除 CR，容量 68.03 mg g^?1。SA-AATiO₂/BL 去除 MB，容量 263.40–283.42 mg g^?1，六次循环稳定。CNT/聚丙烯酰胺/SA 水凝胶具光热和光催化性能，蒸发速率 1.97 kg m^?2 h^?1，EMI 屏蔽 81.1 dB。SA/香蕉叶活性炭/有机蒙脱土水凝胶去除 MB 80.3% 和 EBT 84.9%。SA/聚丙烯酸/氧化多壁碳纳米管水凝胶吸附 MB，容量 1596.0 mg g^?1。CPS-Beads 对 MB、MG、CV 和 CR 容量达 2191.39、2201.69、1669.11 和 2096.04 mg g^?1。磁性 SA/碳点复合材料容量 232.44–467.57 mg g^?1。CNT/SA 气凝胶 MB 容量 195.29 mg g^?1。SA/CMC/AC 微珠容量 308.6 mg g^?1。AC@Alg-PANI 珠容量 774.6 mg g^?1。CNT-Alg-Fe₃O₄ 处理纺织废水 ADMI 去除 98.43%。PLA/SA/CNP 珠 MB 容量 304.88 mg g^?1。

7.2 Sodium alginate@metal oxide nano-particles
SA/Fe₂O₃ 水凝胶去除 MB 和 CV，五次循环约 80%。MNCH5 去除 MB 和 CV >95%，Langmuir–Freundlich 容量 MB 4216.69 mg g^?1、CV 3730.17 mg g^?1。Cu-BTC@Alg/Fe₃O₄ 去除 rhodamine B，容量 200 mg g^?1，去除 97%。UiO-66-NH₂/GO@PVA 去除 MO，容量 188.63 mg g^?1，去除 99.6%。等温线和动力学模型仅经验描述，高表观容量可能来自染料在溶胀 SA 基质中的渗透。

7.3 Sodium alginate@MOFs
MOFs 具有高表面积、可调孔结构和活性位点，但粉末形态、聚集和回收困难。与 SA 整合改善加工性、稳定性和可回收性。SA@ZIF-8 珠去除 MG，最大 95.5%，Freundlich 和 PSO。CA/PVA@UiO-66 去除 MB，容量 275.8 mg g^?1，十次再生保持 93.9%。Cr-MOF-alginate 珠去除 MB，最大 94.06%。

8. Industrial-scale implementation and challenges
大规模应用面临纳米粒子分散、吸附容量提升和再生问题。印度中试显示 SA 基复合材料可处理 50 000 L 染料污染水/天，但实际废水条件影响出水质量，规模化依赖新加工方法和制造成本。

9. Practical considerations for real textile wastewater
真实纺织废水含盐、多价离子、表面活性剂、螯合剂和溶解有机物。高 Na⁺ 改变 Ca²⁺-藻酸盐网络；Mg²⁺、Fe³⁺、Al³⁺ 竞争羧酸位点；EDTA 和多磷酸盐导致去交联和溶胀；表面活性剂竞争吸附位点。需考虑 COD/TOC，并进行连续流、突破行为、传质和机械稳定性评估。

10. Future perspectives and discussion
未来需优化 SA 基复合材料并创新特定应用。SA 上羟基和羧基可进一步化学修饰；与功能聚合物和无机纳米材料复合提高吸附容量。需解决大规模可用性、稳定性、再生能力和机械强度，并定制材料去除多种污染物。

11. Conclusion
本综述考察 SA 基材料吸附性能和物理化学性质，概述其用于纺织废水处理，包括结构性质、改性、与聚合物、黏土、金属和金属氧化物复合、电纺纳米纤维和交联纳米复合材料。SA 环境友好、可生物降解、生物可利用且成本有效，改性可显著提高性能。