酸活化尼罗河水葫芦（Eichhornia crassipes）生物吸附剂对阴/阳离子染料的吸附性能及纺织废水回用潜力

《Biofuels, Bioproducts and Biorefining》：Acid-activated water hyacinth (Eichhornia crassipes) from the Nile River for textile wastewater reclamation: A comparative evaluation of anionic and cationic dye adsorption

　　

水葫芦（Eichhornia crassipes）是一种极具入侵性的水生植物，对生态和社会经济具有显著影响；然而，其独特的理化性质为通过吸附处理废水提供了潜力。本研究考察了使用乙酸、硫酸、盐酸和硝酸对水葫芦进行酸活化，以增强其作为染料去除吸附剂的性能。该水生植物采集自尼罗河，经处理并用各酸活化后，进行比较评价。采用亚甲基蓝（Methylene Blue，阳离子）和丽春红S（Ponceau S，阴离子）染料评估吸附效率，通过处理前后的分光光度分析测定去除率。硫酸活化产生最高吸附容量，对丽春红S的去除率达到94.5%，对亚甲基蓝达到98.7%，归因于表面积和孔结构的改善。应用响应面法（response surface methodology，RSM）对吸附剂投加量、接触时间和染料浓度的效应进行建模，同时最大化吸附容量。吸附数据拟合Langmuir、Freundlich和Dubinin–Radushkevich等温线（isotherms），并评估吸附动力学。磺化水葫芦与Langmuir等温线（R² = 0.99，q_m = 4.275 mg g^?1）和Dubinin–Radushkevich模型（R² = 0.844，Q_D = 5.09 mg g^?1）高度吻合，表明单层吸附和可靠的模型拟合。动力学模型遵循准二级模型（pseudo-second-order model），表明化学吸附（chemisorption）是主导机制。总体而言，该研究证明水葫芦衍生吸附剂作为废水处理可持续材料的高潜力。

水葫芦（Eichhornia crassipes）原产亚马逊河流域，是全球广泛认可的入侵水生植物之一，其快速增殖和强环境适应性使其扩散至五大洲，造成生态和社会经济问题。在埃及，水葫芦严重影响尼罗河和Al-Manzala湖，堵塞河道、阻碍航运和渔业、降低溶解氧并威胁鱼类资源，因此需要人工采收获以控制其影响。与此同时，水葫芦生物质产量高、纤维素含量高，具有资源化潜力，已有研究将其用于生物能源、重金属去除、染料吸附和生物复合材料等。纺织废水染料污染日益加重，吸附法因简单有效受到关注；已有水葫芦衍生吸附剂用于染料去除，但多数研究集中于单一酸或单一活化方法，缺乏不同酸活化剂对水葫芦吸附性能的直接比较，尤其缺乏对阴离子和阳离子染料去除机制影响的比较。因此，研究人员开展本研究，旨在开发简单、可持续的酸活化方法，将水葫芦转化为有效生物吸附剂（biosorbent，利用生物材料吸附污染物的材料），比较不同酸活化剂对吸附性能的影响，并考察其对阴离子和阳离子染料去除机制的差异，为染料废水处理提供低成本、可放大的生物废弃物资源化路线。

关键技术方法（不超过250字）：水葫芦样本采集自埃及尼罗河，手工采集并去除根和杂质，切成约1 cm片段。采用2 M乙酸、硫酸、盐酸和硝酸，以固液比1:10浸泡24 h，洗涤至无残酸（BaCl₂检测痕量HCl和H₂SO₄），80°C干燥24 h，研磨至100–500 μm。以亚甲基蓝（Methylene Blue，MB）和丽春红S（Ponceau S）为模型染料进行批次吸附，150 rpm振荡，UV–vis分光光度法（λ_max分别为664 nm和518 nm）测定处理前后浓度。采用Design-Expert V14的Box–Behnken设计（BBD，响应面设计中用于多因素交互分析的试验设计）生成17次运行，考察染料浓度、接触时间和吸附剂质量，并拟合Langmuir、Freundlich、Dubinin–Radushkevich等温线及准一级、准二级动力学模型。

研究结果如下。

不同酸活化：通过比较四种酸活化水葫芦对两种染料的去除效果，硫酸活化性能最高，对丽春红S去除94.6%，对亚甲基蓝去除98.7%；乙酸活化为87.1%和96.4%，盐酸活化为38.4%和96.9%，硝酸活化为0.62%和92.9%。UV–vis峰强度降低确认了吸附去除。原文将硫酸优势归因于强脱水性促进碳化并引入磺酸基，提高微孔性和活性位点数量；乙酸可能引入羧基；盐酸促进扩孔和表面粗糙化；硝酸虽可引入含氧基团，但可能造成结构降解、降低活性位点可及性。该结果与Karag?z等、Wang和Zhu、Foo和Hameed的报道相一致。

Design Expert运行与过程动力学：以亚甲基蓝为吸附质，采用Design-Expert基于响应面法（RSM）的Box–Behnken设计进行17次运行，考察接触时间、吸附剂投加量和初始染料浓度。校准曲线R² > 0.9。等温线拟合中，Freundlich模型R²为0.29，Langmuir模型R²为0.8214，q_m为4.275 mg g^?1，K_L为77.9 L mg^?1，R_L为0.99；Dubinin–Radushkevich模型R²为0.844，Q_D为5.09 mg g^?1，B为?8 × 10^?10 mol² kJ^?2。结果表明Langmuir模型更适用于水相单层吸附描述，D–R模型提示微孔结构存在；动力学上准二级模型拟合更优，提示化学吸附为限速步骤。

酸活化水葫芦去除染料机理：通过机理分析，染料吸附受传质、表面化学和官能团相互作用共同控制。染料分子先经边界层扩散至吸附剂表面，再发生颗粒内扩散；酸活化提高表面积、孔容和表面粗糙度，促进染料向内部位点传输。酸活化引入或增强羟基（OH）、羧基（COOH）和磺酸基（SO₃H）等官能团，参与静电吸引、氢键和π–π堆积。阳离子染料亚甲基蓝在中性至碱性pH下因表面去质子化形成负电点位而被吸附；阴离子染料丽春红S在酸性条件下因表面质子化形成正电点位而经静电吸引被吸附。硫酸处理引入磺酸基，增强表面酸性和离子交换；硝酸引入含氧基团但过度氧化可能部分降解生物质。总体表明，静电吸引、氢键、π–π堆积和孔扩散协同参与染料去除。

讨论部分总结：讨论强调酸活化是提高水葫芦吸附容量的关键步骤，硫酸活化因改善表面积、孔隙结构和引入有利官能团而表现最佳；亚甲基蓝在各类酸活化样品中均保持较高去除率，而丽春红S对酸类型更敏感。等温线和动力学结果支持单层吸附和化学吸附主导的判断，机理上为多机制协同。该材料具有低成本、可持续和生物废弃物资源化优势。

研究结论翻译：本研究证明酸活化水葫芦作为低成本、可持续生物吸附剂去除水溶液中染料的有效性。在所测试的四种酸（硫酸、硝酸、盐酸和乙酸）中，硫酸活化获得最高吸附性能，对亚甲基蓝（阳离子）的去除率为98.7%，对丽春红S（阴离子）的去除率为94.6%。其优异性能归因于表面积增大、孔隙率提高以及引入有利于静电相互作用、氢键和π–π堆积的官能团。吸附平衡数据与Langmuir等温线模型拟合良好，表明单层吸附；动力学遵循准二级模型，表明化学吸附是主导机制。响应面法确认染料浓度、接触时间和吸附剂投加量对吸附效率具有显著影响。结果支持将水葫芦资源化为环境友好型废水处理材料，兼具环境修复和入侵物种管理的双重效益。未来研究可探索再生潜力、真实废水中的性能以及活化工艺的可放大性。