淀粉纳米晶作为可持续生物吸附剂固定床连续去除合成染料的吸附性能与穿透行为建模研究

《Scientific Reports》：Continuous fixed-bed adsorption of cationic dyes by starch nanocrystals with breakthrough modeling of competitive interactions in multicomponent systems

　　

摘要

由于合成染料的持久性和毒性，从工业废水中去除合成染料仍是一个重大环境挑战。本研究探讨了淀粉纳米晶（SNCs）——一种基于碳水化合物的生物大材料——作为可持续生物吸附剂，利用固定床柱吸附技术连续去除孔雀石绿（MG）、亚甲基蓝（MB）和结晶紫（CV）在单组分、双组分和三元组分系统中的效果。使用六种模型评估穿透行为，包括Thomas模型、Yoon–Nelson模型、Adams–Bohart模型、质量传递模型、剂量-反应模型和床深服务时间（BDST）模型。模型性能通过决定系数（R²）和归一化均方根误差（NRMSE）进行评估。在单组分条件下，SNCs对三种染料均表现出较高的吸附亲和力，去除效率为70.87–71.88%，饱和容量在5.16至5.44 mg/g之间。双组分和三元体系中的竞争性吸附降低了去除效率（59.24–73.01%）、吸附容量（3.67–4.95 mg/g）和柱使用寿命（1772.73–1942.86 min），相对于单组分体系有所降低。然而，不同染料组合的性能下降程度各不相同，含有MB和CV的体系表现出的下降程度比其他混合染料体系较轻，表明这是组成依赖的竞争相互作用，而非净协同效应。在所评估的模型中，剂量-反应模型和BDST模型在所有吸附体系中提供了最准确的预测（R² > 0.99，NRMSE = 3.00–6.02%）。Thomas模型也显示了良好的拟合质量（R² = 98.78–99.46%），但表现出变化的NRMSE值（5.25–9.21%），在双组分体系中观察到最高误差，表明其准确性依赖于体系，其参数在竞争条件下具有有限的可解释性。Yoon–Nelson模型表现出中等预测能力（R² = 97.92–99.15%，NRMSE = 6.10–12.51%），而Adams–Bohart模型和质量传递模型表现出最高的NRMSE值（分别为8.65–32.89%和21.03–25.71%），表明其在多组分条件下的适用性有限。开发了一个包含虚拟变量和交互效应的统计回归框架，以量化吸附时间（定量变量）和体系组成（定性变量：单组分、双组分和三元组分体系）对穿透行为的综合影响。模型结构包括线性和二次时间项、代表不同染料体系的分类虚拟变量以及交互项（时间 × 体系组成），以考虑组成依赖的吸附动力学。该框架成功描述了竞争性吸附行为，并解释了实验数据中超过98%的变异性（R² = 98.02%，调整R² = 97.72%，NRMSE = 0.053%），交互项揭示吸附时间对穿透行为的影响显著受体系组成调节，特别是含有MB和CV的混合染料体系。研究结果表明，SNCs具有作为染料污染废水环保吸附剂的潜力，并为在现实多组分条件下运行的固定床吸附系统的设计和优化提供了有用的见解。