水是一种至关重要且不可替代的自然资源，维持着地球上的生命。它对人类生存、所有动植物的福祉以及生态系统的运作都是不可或缺的[1]。除了在维持健康方面的关键作用外，水还在家庭、工业、农业和环境领域有着广泛的应用。然而，尽管水的重要性不言而喻，但其质量却因各种人类活动而受到严重破坏。工业运营、城市扩张和农业实践是水污染的主要来源[2]。这些活动引入了多种污染物，包括洗涤剂、溶剂、染料、油类、化肥和农药等有机化学物质，以及铜、铅、镁和汞等重金属[3]。这些污染物可能对人类健康和周围生态系统产生深远毒性影响，导致长期的环境退化，并对社区构成重大健康风险[4]。
染料在纺织、造纸、皮革鞣制、食品加工和化妆品制造等行业中被广泛使用，是废水中最常见的污染物之一[5]。这些行业中使用的合成染料不仅难以降解，而且对环境具有毒性和持久性[6]。水中存在染料会显著降低水质，使其不适合饮用、灌溉和娱乐活动。此外，许多染料含有芳香化合物和有毒金属，这些物质可能通过生物累积对水生生物乃至人类消费者造成危害[7]。
亚甲蓝是一种在纺织和造纸行业中广泛使用的染料，由于其毒性和潜在的长期环境持久性而特别令人担忧。这种染料主要用于棉、羊毛和丝绸等织物的染色[8]。然而，接触亚甲蓝会导致严重的健康问题，可能对人类和动物造成永久性眼睛损伤。吸入亚甲蓝蒸气会导致呼吸系统问题，摄入后则会出现口腔灼烧感、恶心、呕吐、过度出汗和冷汗等症状[9]。这凸显了从受污染的水源中去除亚甲蓝的紧迫环境和健康意义。
为应对日益严重的水污染问题，已经开发了许多水处理方法来处理各种污染物[10]。这些技术包括化学沉淀、高级氧化过程、絮凝、离子交换、电解、膜过滤和吸附。其中，吸附技术因其简单性、高效性、易于实施以及尤其是低运行成本而受到特别关注。吸附是指污染物（如染料和重金属）附着在固体表面上，从而有效地将其从水中去除。该技术在处理废水方面被证明非常有效，尤其是在污染物为有机物质时[11]。
活性炭因其出色的吸附能力而受到广泛认可，传统上被用于水处理过程[12]。然而，由于活性炭成本高昂，研究人员开始探索其他既经济又能够达到或超越活性炭吸附性能的替代材料[13]。粘土在自然界中储量丰富，且成本远低于活性炭，已成为从废水中去除有机染料的可行替代品[14]。多项研究表明，由于粘土独特的结构特性和较大的表面积，它们可以有效吸附各种污染物[15]。多项研究报道了粘土在去除染料和重金属方面的成功应用，展示了其在废水处理中的多功能性和可持续性。然而，吸附性能强烈依赖于每种粘土的矿物学结构、表面化学性质和物理化学特性，这需要系统的表征和建模。
为了提高吸附效率并减少实验工作量，越来越多地采用先进的统计工具，如响应面方法（Response Surface Methodology，RSM）[3]。RSM结合数学建模和实验设计，同时评估多个因素的影响并确定最佳操作条件。与传统的一次只考虑一个因素的方法相比，RSM具有显著优势，包括减少实验次数、提高预测准确性以及能够考虑变量之间的相互作用[16]、[17]。其在吸附研究中的应用不仅提供了优化的工艺条件，还提供了可用于指导大规模应用的稳健预测模型。
与此同时，如蒙特卡洛（Monte Carlo，MC）方法之类的分子模拟技术已成为研究原子尺度吸附现象的强大工具[18]。MC模拟通常与模拟退火或分子动力学结合使用，可以探索热力学、吸附几何结构和吸附剂分子与吸附剂表面之间的相互作用[3]、[16]。与纯实验方法不同，这些模拟直接提供了关于分子取向、结合亲和力和吸附过程能量的见解。它们与实验研究的结合增强了机制理解，并实现了从实验室观察到的现象到分子层面相互作用的跨尺度视角。在这方面，纳达尔地区的摩洛哥粘土因其丰富性、矿物学多样性和低成本而成为一种宝贵的资源[19]。尽管这些粘土具有很好的性能，但很少有研究结合先进的统计和分子方法对其吸附性能进行全面评估。
尽管许多研究已经探讨了使用天然或改性粘土基材料吸附染料的情况，但最近的研究大多依赖于化学处理或复合系统来提高性能，例如最近报道的生物聚合物-粘土吸附剂[20]、[21]。相比之下，本研究通过完全集成的多尺度方法评估了纳达尔地区（摩洛哥）未改性的天然粘土的吸附效率，这是一个独特的贡献。这种方法结合了全面的物理化学表征、受控吸附实验、使用响应面方法的统计优化以及通过蒙特卡洛模拟的分子层面解释。据我们所知，此前没有研究将这种综合策略应用于摩洛哥粘土，也没有建立矿物学结构、吸附能量和宏观染料吸附量之间的直接关联。
纳达尔地区的粘土本身是一种尚未充分探索但具有潜力的地质资源，因为它们天然丰富、成本低廉且矿物学多样性高。它们的结构特征不同于通常报道的摩洛哥和国际粘土沉积物，可能赋予它们独特的吸附性能。尽管膨润土、高岭土和伊利石粘土具有全球相关性，但纳达尔粘土的具体组成、微观结构和物理化学特性在染料去除方面的研究从未得到彻底探讨。此外，也没有研究使用多尺度框架结合实验吸附研究、基于RSM的工艺优化和蒙特卡洛模拟来研究这些材料。因此，本研究通过提供对纳达尔粘土内在结构特性如何控制其吸附性能的更深入、更全面的理解，填补了一个重要空白。
在本研究中，研究了纳达尔地区的三种天然粘土：膨润土（Bentonitic Clay，BC）、高岭土（Kaolinitic Clay，KC）和伊利石粘土（Illitic Clay，IC），作为从水溶液中去除亚甲蓝（Methylene Blue，MB）的低成本吸附剂。通过平衡和动力学研究评估了吸附效率，并通过等温线建模阐明了相关机制。还进行了微观结构和物理化学表征（X射线荧光（XRF）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）等，以建立组成、结构和吸附能力之间的联系。为了补充实验方法，应用响应面方法对工艺变量进行了统计优化，而蒙特卡洛模拟提供了关于染料-表面相互作用的分子层面见解。这种集成的实验、统计和计算框架提供了对吸附动力学的全面理解，并突显了摩洛哥粘土在可持续废水处理方面的潜力。虽然这些粘土是未来制备膜的理想候选材料，但本研究仅关注它们的吸附性能，作为将其整合到紧凑型微滤膜中的初步步骤。
