杂化Fe2O3/AC@棉纳米复合材料吸附性能测量与热力学分析

《Microchemical Journal》：Measurement of adsorption and thermodynamic insights for hybrid Fe 2O 3/AC@Cotton nanocomposites

　　

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  聚合物骨架主动调控纳米粒子的成核与界面结构。
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  分级Fe₂O₃/AC@棉体系实现非均相吸附能。
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  Freundlich方程的主导性证实了多活性位点、聚合物介导的吸附机制。
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  高吸附容量（129.87 mg g^?1），10次循环后保持96%的吸附性能。
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  经统计学优化的体系已在真实纺织废水中得到验证。

引言

纺织业是重要的制造业部门，在经济发展中持续发挥关键作用。该行业涵盖一系列复杂工艺，将纤维等原材料转化为成品。纺织业涉及机械工序，即纺纱和织造，随后进行湿加工（预处理、染色和后整理）。染色和印花工序使用大量染料和助剂，导致有害物质浓度高、pH失衡和浊度增大[1], [2], [3]。纺织湿加工产生的高色度废水已成为重大环境问题。这些废水中含有未固着的染料和助剂，即使微量也会导致水体出现可见且有害的颜色。此类污染阻挡阳光到达水生态系统，并引入对人体和海洋生物有害的毒性化合物[4], [5]。因此，为降低环境和健康风险，必须从纺织废水中去除染料和有机污染物。染料在纺织复合材料的处理中尤为困难，因此近年来受到广泛关注[6], [7], [8], [9], [10]。纺织废水有多种处理技术，但均存在局限性。例如，生物处理工艺对有机物的去除效果良好，但对染料去除效率低且产生大量污泥。同样，膜过滤、混凝和氧化工艺虽有效，但运营成本往往较高。因此，吸附法作为高效且经济的纺织废水物理处理方法而备受关注。

吸附法因其通用性强、成本低廉、环境友好且吸附剂可回收而优于其他方法[11], [12], [13]。在此过程中，吸附剂从废水中去除污染物，捕集特定化合物。该方法具有多项优势，包括运营成本低、灵活性高、易于设计、效率高效以及防止产生二次污染物。活性炭（AC）因其优异的吸附容量而被广泛用于吸附应用。然而，活性炭也存在局限性，包括成本高、机械强度低和再生困难，凸显了对具有改进性能的新型吸附剂的需求[14]。铁氧化物纳米粒子因其超顺磁性特征而在多种应用中日益受到重视，如医药和传感器[15], [16], [17]。与块体材料相比，其卓越特性使其成为此类应用的理想选择。在废水处理方面，铁氧化物纳米粒子具有高吸附效率和易于回收的优点，使其成为传统吸附剂的有前途的替代品。本研究采用超声辅助法合成磁铁矿（Fe₂O₃）纳米粒子。该方法在控制纳米粒子尺寸和结晶度方面非常高效。超声能量通过产生大量气泡并使其崩塌释放大量热量，从而提高局部温度和压力，在材料中引发物理化学变化。该途径已被研究人员广泛用于纳米材料合成[18], [19], [20]。

近期研究中，Chishti等人展示了多组分铁氧化物基吸附剂在水体污染物去除方面的潜力。他们通过交联辅助固定化开发了Fe₃O₄–MgO@β-环糊精纳米复合材料用于土霉素吸附。该方法将两种金属氧化物与以环氧氯丙烷交联的β-环糊精网络相结合，并采用Box–Behnken优化以及吸附和机理分析[21]。这提供了一个通过其组成相和聚合物环境来定制混合吸附剂的重要范例。此类架构的性能不能直接由颗粒状聚合物-氧化物复合材料的性能推断得出，因为载体改变了沉积组分的分布和可及性。预测建模提供了另一个重要方向。Shetty等人研究了使用由Magnolia champaca叶制备的活性炭去除氯菊酯，并将人工神经网络与自适应神经模糊推理系统进行了比较，同时进行了再生和水基质研究[22]。此类方法可以描述操作变量与吸附性能之间的非线性关系。然而，其预测效用取决于具有代表性的实验数据和适当的验证，且仅凭预测一致性并不能确立吸附机制。在本研究中，采用响应面方法作为实验设计回归方法，以考察指定操作域内的因素影响和交互作用。

本工作通过超声辅助共沉淀法将Fe₂O₃和活性炭整合到棉织物上，研究了这种负载型吸附剂架构。其独特贡献在于利用现有的纤维素纺织品作为铁氧化物/碳涂层的载体，而非构建交联β-环糊精-金属氧化物网络。所报道的制备方法无需单独的聚合物交联步骤，而宏观织物形态提供了将吸附剂作为负载型材料而非仅作为分散颗粒处理的可行性。这些特性为复合材料的实用设计提供了理论依据，但涂层保持性和吸附位点可及性必须通过实验进行评估。因此，本研究在假定其组分的结合必然产生协同吸附或比其他混合材料更高的吸附容量的前提下，考察了这种负载型架构的吸附行为。通过评估去除效率和质量归一化吸附量，本研究旨在确定棉支撑复合材料在所研究条件下的性能，并评估其作为负载型吸附剂进一步开发的潜力。

章节摘要

材料

七水合硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）、盐酸（HCl）、氢氧化铵（NH₄OH）、六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O）、氢氧化钠（NaOH）、硝酸（HNO₃）、活性炭（AC）和亚甲基蓝（MB）染料均购自Sigma Aldrich。棉织物被裁剪为5 cm × 5 cm的样品。样品用去离子水和乙醇清洗以去除杂质。样品在80°C的烘箱中干燥3小时后方可进一步使用。

染料分类

商业染料通常按以下方式进行分类

表征

所开发的Fe₂O₃/AC@Cotton纳米复合材料（吸附剂）样品通过FE-SEM、XRD和拉曼光谱进行表征，以研究其形貌和结构变化。Fe₂O₃/AC@Cotton纳米复合材料的XRD图谱如2所示。衍射图案在31°、36°、43°、54°、57°和59°角度处显示出强烈且明显的峰，分别对应于[220]、[311]、[400]、[422]、[511]和[440]晶面的反射，与文中所述的磁铁矿立方尖晶石结构相对应。

结论

本研究开发了一种经济且简便的方法来合成Fe₂O₃/AC@Cotton纳米复合材料，将共沉淀法与超声法相结合。超声辅助制备在棉载体上形成了γ-Fe₂O₃/AC涂层，如形貌和结构表征所示。关键工艺参数，特别是吸附剂用量、初始染料浓度和溶液pH值，采用响应面建模进行了研究。该方法支持

CRediT作者贡献声明

Muhammad Azeem Ashraf： 撰写—审阅与编辑、概念化、撰写—初稿、方法学、调查研究、形式化分析。Mumtaz Hasan Malik： 指导监督、撰写—审阅与编辑。Muhammad Tayyab Noman： 撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、概念化、形式化分析、验证、方法学。Assad Farooq： 软件、资源、撰写—审阅与编辑。Fiaz Hussain： 可视化、验证、撰写—审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文所报告的工作。

Muhammad Azeem Ashraf|Mumtaz Hasan Malik|Muhammad Tayyab Noman|Assad Farooq|Fiaz Hussain