可持续阿拉伯胶-活性炭水凝胶复合材料吸附去除水体系中罗丹明B：等温线与动力学研究

《International Journal of Biological Macromolecules》：Adsorptive removal of rhodamine B using sustainable gum acacia- activated carbon hydrogel composites from aqueous systems: Isotherm, and kinetic insights

　　

## 摘要

通过化学诱导自由基聚合路线，以丙烯酸和衣康酸为共聚单体，合成了活性碳掺入的阿拉伯树胶基水凝胶，以开发一种有效的吸附剂，从水溶液中去除染料（罗丹明B）。该复合水凝胶表现出高膨胀能力（在碱性介质中约为2000%）、良好的凝胶含量和产率，表明具有稳定的三维聚合物网络结构。通过FTIR、XRD、FESEM、AFM、XPS和TGA分析确认了其结构、理化性质、形貌和热学特性。通过改变pH值（2?12）、染料浓度（1–15 ppm）、吸附剂用量（100–600 mg）和接触时间（24 h）进行了间歇吸附研究。在10 ppm染料浓度、300 mg吸附剂用量和酸性pH条件下，最大染料去除率约为100%。吸附实验的结果最佳拟合于Langmuir等温线（R2 = 0.977），表明在具有相同活性位点的表面上的单层吸附，而拟二级动力学模型准确描述了速率过程（R2 = 0.994），最大吸附容量为2.48 mg/g，表明化学吸附为主要机制。负的ΔG°值（?9至?15 kJ/mol）证实了吸附的自发性，负的ΔH°值（?73.08 kJ/mol）证实吸附过程是放热的。水凝胶在五次重复使用后仍保持约85%的去除效率，并且在研究的盐浓度下显示出可忽略的干扰。因此，从可再生的阿拉伯树胶基材料开发了一种可持续的、经济的生物基水凝胶复合材料，能够选择性和高效地从水中去除罗丹明B。

## 引言

纸浆、皮革和纺织等行业大量排放未经处理的含染料废水，使染料污染成为当代时代的主要环境关切[1]、[2]。这些废水还含有重金属、复杂的有机化合物和难以降解的有害副产物，危及人类健康和水生生态系统[3]。在这些污染物中，几种合成染料及其降解组分尤为令人担忧，因为已被证实这些物质具有致突变和致癌后果，突出了长期暴露危害的担忧[4]。水生生物受到水体持续着色的不利影响，因为它干扰了水生植物的光合作用并降低了氧气水平[5]、[6]。罗丹明B（RhB）是纸浆、纺织和化妆品行业中常用的一种合成噻吨染料，据报道因其致突变、致癌和毒性性质而对环境有害[7]。其极高的稳定性、不可生物降解性以及即使在极少量下也能持久着色的特性，使其成为通过工业废水（河流、湖泊等）排放到水体中对水生生态系统和人类健康的重大危害。皮肤发红、其他皮肤症状以及影响主要器官的系统性毒性是其中的一些后果。显著的是，多项研究将染料暴露与肝毒性、甲状腺功能障碍和生殖毒性联系起来，突出了通过摄入、吸入或皮肤接触染料后造成重大生理损害的可能性[7]、[8]。因此，从废水中去除它已成为一个重要的研究课题，吸附、光催化和生物降解等技术正因其有效性和环境适用性而被广泛研究。

吸附仍然是各种传统废水处理方法中最有效、最具成本效益且易于操作的技术之一，这些方法包括化学、物理和生物过程[9]、[10]。通常用于染料废水处理的不同吸附剂包括：氧化铝[11]、硅胶[12]、沸石[13]、活性炭[14]、黏土[15]、农业废弃物[16]、农业/工业废物[17]等。活性炭（AC）通常被认为是一种优异的吸附剂，因其高吸附容量和巨大的表面积。然而，其制造和再生的高成本经常限制其在大规模水处理系统中的广泛应用[18]、[19]。此外，活性炭的吸附行为本质上是非特异性的，无差别地结合各种污染物[20]。当前的研究应该解决与活性炭使用相关的这些限制，并应投入相当大的努力来提高吸附容量、增强吸附相关性和降低制造成本。开发活性炭的功能化复合吸附剂是克服这些限制中的一些的方法。Wang等也在其综述文章中指出，活性炭复合材料的开发有助于改善其性能、降低成本和提高吸附效率[21]。已有大量研究记录了使用各种材料合成活性炭复合材料，如磁铁矿[22]、石墨烯/氧化石墨烯[23]、[24]、壳聚糖[13]、纤维素[25]、聚合物水凝胶[26]、[27]、[28]以及其他[29]，以及它们在基于吸附的污染物去除中的应用。

水凝胶被认为是一种三维聚合物网络，其性质亲水，能够吸收和保持大量水以及其他类似流体，同时保持其结构完整性。由于其卓越的生物相容性、可调节的机械特性和对外部刺激的反应性，水凝胶在各种研究和应用领域中获得了重要性[30]、[31]。它们在医学领域被广泛用于生物传感器、组织工程支架、伤口敷料和药物递送系统[32]。水凝胶有助于控制肥料释放、促进种子发芽并增强土壤水分保持[33]。水凝胶还作为电子和软机器人领域的柔性导体和驱动器[34]。污染物吸附和废水处理是环境应用的例子。其适应性持续促进研究和工业领域的发展[35]。由于其三维交联结构、高膨胀能力和丰富的官能团（如–OH、–COOH和–NH?，这些官能团能与染料分子产生强相互作用），基于水凝胶的材料近年来引起了广泛关注，作为有前景的吸附剂[36]。通常，静电吸引、氢键、π–π相互作用、范德华力和多孔网络内的扩散等几种机制控制染料在水凝胶上的吸附[37]。此外，向水凝胶基质中添加碳质材料或纳米粒子等填料，可能通过增加表面积、孔隙率和活性结合位点的可用性来提高吸附效果[38]。文献也支持，由于这些性质，基于水凝胶的复合材料对于有效和靶向地去除水体系中的染料污染物非常有吸引力[39]。

目前，水凝胶-活性炭复合材料被用于各种应用。水凝胶和活性炭的复合材料正在成为具有跨学科意义的重要材料，在能源、医药和环境领域具有重要意义。这些复合材料对染料、重金属和药物等污染物表现出改善的吸附能力，用于废水处理。例如，藻酸盐/AC/羧甲基纤维素水凝胶珠已显示出从水溶液中提取布洛芬的优秀效果，并在多个周期后可以通过重新膨胀再生[26]。通过改善水分保持并提供有利的生长介质，填充活性炭的琼脂糖水凝胶已证明在农业中能增强种子发芽和幼苗生长[40]。基于壳聚糖的氧掺杂AC/石墨烯复合水凝胶已被开发用于能源行业的柔性超级电容器[41]。这些发展突显了水凝胶–AC复合材料在各种领域解决一系列问题的适应性和前景。

将天然多糖与合成单体结合以产生交联水凝胶，然后用AC强化这些水凝胶基质结构，是开发高性能水污染物吸附剂的有力方法。阿拉伯树胶或阿拉伯胶是Acacia senegal及相关物种的天然干燥分泌物，广泛用于食品和药物系统中作为乳化剂和稳定剂。它是一种异质的多糖–蛋白质复合物，平均分子量范围约为10?至10? g·mol?1[42]。基于树胶的材料提供了一种易于合成、成本效益高的聚合物基质，具有可调节的官能团和高吸水能力，能够促进快速质量传递并提供大量的化学修饰位点[43]、[44]。虽然水凝胶基质增强了易于加工、可回收性和可重复使用性等特性，但向水凝胶网络中添加活性炭则协同作用，利用AC的高表面积和广泛的孔结构来增加对染料和其他污染物的吸附容量[45]、[46]。活性炭除了增加表面积外，还提供了用于静电相互作用的官能团。它还包含π活性石墨区域，增强了与污染物分子中芳香域的π–π相互作用。这些因素提高了水凝胶结构的孔隙率和扩散性，并促进了多次吸附–解吸循环过程中结构的稳定性。最近的研究表明，基于阿拉伯树胶的接枝共聚水凝胶能够有效地去除模型染料并具有良好的可回收性[47]、[48]。但当与AC配合用于靶向染料吸附时，这些水凝胶可能更具优势。

阿拉伯树胶（一种可再生生物聚合物）、丙烯酸和衣康酸结合产生一种既环保又源自天然的水凝胶复合材料。可以从可持续来源获得的活性炭提高了吸附性能，而未添加更多有害物质。这一概念通过将可再生成分、温和的合成条件和可重复使用性相结合，为水处理应用提供了一种实用且可持续的方法。因此，本研究旨在开发一种活性碳强化的阿拉伯树胶、丙烯酸和衣康酸水凝胶，用于有效的染料修复，通过将生物聚合物水凝胶的可回收性和可调节化学性与碳质材料–活性炭的良好吸附效率相结合，从废水中选择性去除阳离子染料。

## 试剂

### 化学试剂

各实验步骤中使用的化学试剂和材料及其供应商如下：阿拉伯树胶（GA）（无酶）（通过遵循参考文献[49]的方法，使用奥斯特瓦尔德粘度计（Biohall Life Sciences Pvt. Ltd.）测定的粘度平均分子量Mv ≈ 4.09 × 10? g/mol），单体丙烯酸（AA）（MW 72.06）和衣康酸（IA）（99%，MW 130）均购自Loba Chemie Pvt. Ltd.。活性炭（AC）来自Fischer Scientific。引发剂过氧化钾……

### 合成活性碳负载阿拉伯树胶水凝胶复合材料

复合水凝胶通过自由基交联聚合方法合成。热引发剂KPS和交联剂NNMBA被用于反应中。单体和交联剂的掺入导致了包含所有反应物种官能团的三维水凝胶基质的形成。交联水凝胶形成中的预期步骤和AC-GA复合水凝胶的预期三维化学结构如图2所示。聚合和……

### 结论

通过化学诱导自由基聚合丙烯酸和衣康酸合成的掺入活性碳的阿拉伯树胶基水凝胶被证明是一种有效的、可持续的去除模型污染物染料罗丹明B的吸附剂。合成的复合体系表现出卓越的膨胀容量、结构稳定性和发达的多孔形貌，并通过FTIR、XRD、FESEM、AFM、XPS和TGA分析得到证实。对RhB进行的吸附研究……

### CRediT作者贡献声明

Pooja Kumari：撰写 – 初稿、方法论、调查、正式分析。Manish Kumar：撰写 – 审阅与编辑、监督、概念化。Deepika Kaushal：撰写 – 审阅与编辑。Vinay Chauhan：撰写 – 审阅与编辑。

### 生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明

在准备本作品过程中，作者仅使用ChatGPT进行语言编辑和语法校正。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

### 利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

### 致谢

作者感谢UGC和喜马偕尔邦中央大学提供的财务援助和实验室设施。作者感谢马哈拉维亚国家技术研究所材料研究委员会（MRC）、贾穆印度理工学院（IIT Jammu）和查谟中央大学（中央仪器设施SAPTARISHI）提供的多种分析技术（如AFM、TGA、XRD、XPS、FESEM和FTIR）的使用权限。

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