《Journal of Hazardous Materials Advances》：Valorization of Agricultural By-Products into Eco-Friendly Adsorbents as Separation-Based Wastewater Treatment
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专业术语翻译摘要部分：
将农业副产物转化为环保型吸附剂用于基于分离的废水处理。由农业副产物制备的环保且可持续的吸附剂用于废水处理。采用动力学（kinetic）和等温线（isotherm）模型研究吸附机理。利用响应曲面法（response surface met
专业术语翻译摘要部分：
将农业副产物转化为环保型吸附剂用于基于分离的废水处理。由农业副产物制备的环保且可持续的吸附剂用于废水处理。采用动力学（kinetic）和等温线（isotherm）模型研究吸附机理。利用响应曲面法（response surface methodology，RSM）优化吸附性能。支持农业废弃物资源化利用以实现经济高效的废水处理。
论文解读文章：
研究背景与问题
随着技术进步的不断推进，全球工业化进程持续加速，由此带来的环境污染问题日益严峻。工业用水量急剧增加，产生了大量含有多种污染物的废水，造成广泛的人为污染，对生态系统和公众健康均产生不利影响。纺织工业在染色和整理工序中大量使用化学品和水，产生大量废水。纺织工业使用的染料可能具有抗生物降解性，对水生生物有害，并可能引发人类过敏、皮炎、皮肤刺激，甚至癌症和遗传异常。亚甲基蓝（Methylene Blue，MB）是一种碱性着色剂，用于棉、丝、皮革、塑料、纸张和单宁的染色，也用于办公用品工业中复印纸和墨水的生产。由于染料阻碍光线穿透、劣化受纳水体并危害食物链中的生物，其排放到环境中从毒理学和美学角度均令人担忧。由于某些染料及其分解副产物可能有毒和致癌，生物降解难以有效处理，因此去除人工着色物质至关重要，必须在排放前去除MB染料。
工业废水脱色方法通常分为物理、化学和生物三类。总体而言，物理吸附被认为是快速降低废水中溶解染料数量的最有效方法。虽然从工业废水中去除染料有多种方法，但每种方法都有其局限性，包括离子交换、絮凝、沉淀、光氧化过程、微生物分解和臭氧化等。从含染料废水中去除染料受到高成本、有害副产物形成和大量能源消耗等因素的严重制约。因此，需要经济高效、环境友好且高效的技术来降低废水中的染料含量。吸附在治疗技术中日益普及，是从水相废水中去除人工染料的最有效方式。由于设计简单、使用方便且对危险物质不敏感，吸附过程被认为是去除废水中污染物最有效的方法之一。商业活性炭作为去除染料的吸附剂效果良好，但其高价格限制了广泛应用，这是因为在污染控制应用中过度使用了煤等昂贵且不可再生的原材料。近年来，使用工业和农业中的替代性非常规废弃物作为制造活性炭的原料，重新引起了学术界的兴趣。研究人员研究了多种农业废弃物的染料吸附能力，包括稻壳、李子核、甘蔗渣、坚果壳、果皮和果壳、玉米芯、叶片粉末、废茶叶和锯末等，结果表明这些吸附剂既经济又有效。甘蔗渣（Sugarcane Bagasse，SB）是一种常见栽培废弃物，每年产生量大，通常被焚烧或填埋处理。SB的热解产生生物炭，这是一种具有较高环境效益的稳定吸附剂。尽管关于生物质衍生吸附剂的研究日益增多，但仍存在若干关键局限性。许多报道的材料由于前体组成和制备条件的差异而表现出不一致的吸附性能。此外，对吸附剂再生、可重复使用性和长期稳定性的关注不足，而这些对实际应用至关重要。
研究内容与意义
为解决上述局限性，本研究聚焦于开发源自甘蔗渣的活性炭-黏土复合材料及其在亚甲基蓝去除中的应用。本工作的新颖之处在于将生物质衍生碳与黏土结合以增强结构稳定性和吸附性能，同时利用响应曲面法（RSM）框架内的Box-Behnken设计（Box-Behnken Design，BBD）系统优化操作参数。研究的主要目标是开发并实验评估基于甘蔗渣-黏土的吸附材料用于去除水溶液中的亚甲基蓝，研究关键操作参数对吸附性能的影响，通过动力学和等温线建模确定吸附机理，并为吸附过程提供优化框架和对变量相互作用的实际解释。这些目标旨在推进生物质衍生吸附剂在废水处理应用中的适用性和理解。
主要技术方法
研究人员采用了以下关键技术方法：利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对制备的活性炭材料进行微观结构和表面形貌表征；采用批量吸附实验评估初始染料浓度、接触时间和溶液pH等关键操作参数对MB去除效率的影响；运用响应曲面法（RSM）中的Box-Behnken设计（BBD）进行实验设计和过程优化；使用Langmuir、Freundlich和Temkin等温线模型以及动力学模型研究吸附机理。研究使用的甘蔗渣和黏土原料采集自埃及的甘蔗农业残留物。
研究结果
材料制备与表征结果
研究人员制备了四种活性炭材料：AC1为水浸泡的甘蔗渣活性炭，AC2为硫酸改性的甘蔗渣活性炭，AC3为水浸泡的甘蔗渣-黏土复合活性炭，AC4为硫酸改性的甘蔗渣-黏土复合活性炭。FTIR分析结果显示，3697 cm?1和3440 cm?1处的峰表明存在羟基（O-H）和水分子；1605 cm?1和1437 cm?1处的峰表明存在羰基和有机化合物；1105 cm?1和1034 cm?1处的峰对应复合材料SB-Clay的糖苷键（C-O-C）反对称振动。黏土与碳质材料结合的内表面O-H基团由1035 cm?1处的Si-O伸缩振动、794 cm?1处的Al-O伸缩振动和470 cm?1处的Si-O弯曲振动支撑。913 cm?1处为Si-O和Si-OH的重叠。XRD分析结果显示，所有样品在2θ=20°-25°之间呈现宽衍射峰，对应碳的（002）晶面，表明有机物发生碳化，产生低石墨化程度的无定形碳。21°、27.8°、35.5°和36.4°处的附加峰主要与黏土的石英和钠长石相有关。26.5°和44.5°处的明显峰证实了活性炭的存在。XRD图谱共同验证了碳相和矿物相的共存。SEM图像显示，AC1和AC2表面呈现棒状或纤维状微观结构，AC2样品表面相对粗糙；AC3和AC4表面形貌粗糙且有不规则空腔，这可能在生物质组分与H?SO?酸化过程中产生。样品中可见碳骨架层，有助于形成狭缝形孔。松散聚集的黏土颗粒进一步证实了楔形孔的存在。
吸附性能优化结果
通过批量吸附实验评估了初始染料浓度（20-80 ppm）、接触时间（0-90分钟）和水溶液pH（2-11）对MB去除效率的影响。初步结果显示50分钟被确定为平衡时间。在达到平衡后，使用分光光度计在亚甲基蓝最大吸收波长（λmax=660 nm）处测量上清液的吸光度，以确定残余MB浓度。研究人员利用Box-Behnken设计（BBD）基于响应曲面法评估和优化了初始pH、MB浓度和接触时间等独立变量对吸附过程的影响，并建立了数学模型。
吸附机理研究结果
亚甲基蓝是一种阳离子染料，带有正电荷的芳香环和氮中心环，这使得MB与带负电荷的表面位点高度相互作用。甘蔗渣制备的活性炭具有高度多孔结构，带有羧基、羰基和羟基等不同官能团以及石墨域。这些官能团在吸附剂表面充当带负电荷的位点，尤其是在中性至碱性溶液中。MB吸附到吸附位点的机理涉及几种关键相互作用。主导吸附机理是物理吸附，即带正电荷的MB分子与活性炭材料上带负电荷的官能团之间的静电吸引。此外，改性活性炭材料的孔结构在吸附过程中起关键作用。微孔结构提供MB分子被吸附的吸附位点，而中孔则促进吸附质向吸附剂内部结构的内扩散。
讨论与结论
本研究成功开发了基于甘蔗渣和黏土的活性炭复合材料，用于废水中亚甲基蓝的高效去除。通过将生物质衍生碳与黏土结合，增强了材料的结构稳定性和吸附性能。利用响应曲面法框架内的Box-Behnken设计系统优化了操作参数，确定了最佳吸附条件。动力学和等温线模型研究揭示了吸附机理以静电吸引为主导的物理吸附过程。材料表征证实了制备的活性炭具有多孔结构和丰富的官能团，有利于MB的吸附。该研究支持农业废弃物资源化利用，为经济高效的废水处理提供了可行方案。所推荐的吸附剂具有高吸附容量，有助于染料快速定量吸附，在废水处理应用中具有广阔前景。
