利用粉状丝绸进行废水处理：光谱学与分子对接技术对孔雀石绿草酸盐吸附机制的探究

《Materials Chemistry and Physics》：Effluent Treatment Using Powdered Silk: Spectroscopic and Molecular Docking Insights into Malachite Green Oxalate Adsorption

丝绸粉末对Malachite Green Oxalate的吸附性能及机制研究显示，其最佳吸附条件为pH 8、60秒接触时间和30°C，最大吸附容量23.41 mg/g，去除效率达99%。动力学符合伪二级模型（R2=0.9999），平衡遵循Langmuir等温式（R2=0.9958）。热力学分析表明吸附为自发（ΔG=-1.495 kJ/mol）、吸热（ΔH=25.32 kJ/mol）且熵增（ΔS=84.44 J/mol·K）过程。分子对接和FT-IR证实π-cation及氢键作用机制，FESEM和TGA/BET分析揭示了材料微观结构及热稳定性。

　　

Kiran M. Lalge | Malhari C. Nagtilak | Sandip N. Labade | Vidyarani S. Patil | Nilesh J. Khengare | Shakuntala S. Sawant | Ranjana K. Jadhav

印度马哈拉施特拉邦浦那S. M. Joshi学院化学研究中心 - 411028

摘要：

本研究在优化的条件下（pH值为8、接触时间为60秒、温度为30°C）考察了孔雀石绿（Malachite Green，简称MG）草酸盐在粉状丝绸上的吸附性能。在pH值为2时成功实现了脱附。研究评估了pH值、接触时间、粉状丝绸颗粒大小、温度、吸附剂用量和吸附物浓度对吸附过程的影响，以及染料回收效果。在最佳条件下，最大吸附容量为23.41 mg/g，去除效率达到99%。动力学数据符合伪二级模型（R2 = 0.9999），而平衡数据则更符合朗缪尔等温线模型（R2 = 0.9958）。热力学分析表明，该吸附过程是自发的（ΔG = -1.495 kJ/mol），吸热反应（ΔH = 25.32 kJ/mol），并伴随着熵的增加（ΔS = 84.44 J/mol·K）。分子对接分析发现MG与特定氨基酸残基之间存在π-阳离子和π-π堆积相互作用，这一结论得到了傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证据的支持。场发射扫描电子显微镜（FESEM）成像揭示了复合材料的形态和颗粒大小分布，热重分析（TGA）证实其热稳定性可达189.99°C。BET分析进一步表征了吸附剂的孔隙性质。总体而言，粉状丝绸是一种有效的MG吸附剂。

引言

从水资源中去除有害污染物是一个重要的环境和公共卫生挑战，这一挑战源于快速的工业化和城市化进程。在各种废水处理技术中，吸附法被证明是去除有机和无机污染物最有效、最通用且经济可行的方法之一。与传统技术（如絮凝、泡沫浮选、电化学、生物化学和光化学工艺）相比，吸附法具有更高的效率、更简单的操作流程和更低的成本，尤其是在处理含染料废水时[1]。 吸附法被视为一种可持续的废水处理方法，因为它能够在不产生有害副产品或显著改变水质的情况下去除有毒污染物。此外，吸附过程通常允许吸附剂和吸附物的回收与再利用，使其适用于大规模工业应用。因此，人们越来越关注开发低成本、环境友好的高效吸附剂，尤其是那些来自天然聚合物和生物材料的吸附剂，例如从Juglans regia中提取的木质纤维素废弃物[2]。 染料污染的废水对纺织、皮革、造纸以及染料制造等行业构成了重大威胁。这些行业会向水环境中排放大量合成染料，导致严重的生态失衡和健康危害。其中，孔雀石绿（MG）尤其具有问题性，因为它具有高毒性、持久性和抗生物降解性[3]。因此，在排放前有效去除MG对于保护水生生态系统和遵守环境法规至关重要。 天然材料和蛋白质因其安全性、环保性和高效性而成为捕捉污染物的热门选择。它们的真正优势在于能与染料发生相互作用。它们利用多种“锚定”机制——从弱物理吸引力到强化学键——来捕获染料分子并牢固地固定它们[4]。蛋白质尤其有效，因为它们由多种氨基酸组成，这些氨基酸可以像“化学钩子”一样抓住染料。根据染料的性质，蛋白质采用不同的结合策略，无论是通过静电吸引、氢键作用还是将染料推入疏水口袋[5],[6]。 历史上，孔雀石绿草酸盐被广泛用于棉、丝和羊毛的纺织染色[7]。它还用于微生物学中的革兰氏染色，以区分革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌[8]。此外，MG在水产养殖和兽医医学中也有应用，用于治疗鱼类和鱼卵的寄生虫和真菌感染[9]，以及在生物研究中用于凝胶电泳过程中的核酸染色[10]。 孔雀石绿草酸盐（PubChem CID：2724411），分子式为C??H??N?O??，分子量为927.01 g/mol，是一种高毒性化合物。它被归类为潜在的致癌物和诱变剂，能够引起基因损伤并增加癌症风险[11]。此外，MG对水生生物具有急性和慢性毒性，会导致死亡、生殖障碍和发育异常[12]。人类接触MG可能导致皮肤、眼睛和呼吸道刺激，以及由于其致癌性而带来的长期健康风险[13]。这些严重的环境和健康影响迫切需要开发高效且可持续的废水处理方法来去除MG。 已经探索了多种材料用于吸附孔雀石绿，包括来自Prosopis juliflora的活性炭[14]、底灰[15]、鸡羽毛[16]、Borassus aethiopum花[17]、油棕树干纤维[18]、处理过的锯末[19]、竹子[20]、稻草[21]、藤条锯末[22]、膨润土[23]、环糊精[24]、Caulerpa racemosa（一种入侵海藻）[25]、死梧桐树叶[26]、负载氧化锡纳米粒子的材料[27]和卤氧化铝纳米管[28]。尽管许多吸附剂表现出良好的吸附性能，但它们也存在一些局限性，如制备过程复杂、成本高昂、可重复使用性有限以及环境影响问题。 尽管对MG吸附的研究已经相当广泛，但对富含蛋白质的天然材料（如丝绸粉末）的探索仍然有限。丝绸是一种可生物降解、可再生且易于获得的生物材料，富含可以与染料分子相互作用的官能团。因此，本研究旨在探讨粉状丝绸作为简单、低成本、环保的吸附剂，用于从水溶液中去除孔雀石绿草酸盐的可行性，从而填补重要的研究空白并推动可持续废水处理技术的发展。

材料制备

材料来源

本研究使用的丝绸来源于Bharatiya Agro Industries Foundation (BAIF)浦那提供的废弃丝绸残余物。这些残余物非常适合我们的研究需求，因为它们可以很容易地被研磨成粉末。首先用蒸馏水清洗丝绸，然后在电烤箱中干燥。之后，将干燥的丝绸手工切成细小碎片并研磨成粉末，作为实验中的吸附剂。粉末状的丝绸随后通过筛子进行筛选。

pH值的影响

孔雀石绿（MG）在水溶液中主要以阳离子形式存在[35]。本研究在pH值1.0–10.0的范围内考察了pH值对MG在粉状丝绸上吸附的影响。在pH值为1.0时吸附量很小，但从pH值4.5开始逐渐增加，到pH值7.0时达到最大值。在pH值7.5–8.0范围内观察到最大吸附效果（见图2），之后吸附量开始下降，同时染液颜色也发生变化。 丝绸主要由……（原文此处信息缺失）

结论

在受控批次条件下，评估了粉状丝绸作为孔雀石绿草酸盐吸附剂的性能。最佳吸附条件为pH值8、温度30°C、接触时间60秒以及颗粒大小90–150 μm，此时染料去除率约为99%。吸附平衡符合朗缪尔模型（q? = 23.41 mg/g，K? = 0.8577 L/mg），表明吸附发生在有限的活性位点上；动力学数据则更符合……（原文此处信息缺失）

作者贡献声明

Sandip N. Labade：软件开发、概念设计。 Kiran M. Lalge：初稿撰写、方法论设计、实验实施、数据分析、概念化。 Shakuntala S. Sawant：审稿与编辑、验证、监督、实验指导。 Nilesh J. Khengare：方法论设计、数据分析。 Vidyarani S. Patil：软件开发、数据分析。 Malhari C. Nagtilak：软件开发、数据分析。 Ranjana K. Jadhav：审稿与编辑、验证、监督、实验指导。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的财务或其他利益冲突。

关于科学写作中生成式AI的声明

作者声明在撰写本文过程中未使用任何生成式人工智能（AI）或AI辅助技术。

关于科学写作中生成式AI的声明

作者声明在研究过程中未使用AI工具来分析和从数据中提取见解。

资金来源

本研究未获得任何公共、商业或非营利性机构的特定资助。

致谢

作者感谢浦那Savitribai Phule大学的设施支持。