可持续方法再生活性绿染料：基于生物炭的纺织印染污泥染料回收

《Results in Engineering》：Sustainable Approaches in Reviving Reactive Green Dyes: Biochar-Based Dye Recovery from Textile Dyeing Sludge

　　

近年来，利用生物质衍生污泥中的炭作为吸附剂用于废水处理越来越受欢迎，影响经济和环境两个方面。在本研究中，研究人员将从纺织印染污泥中获得的生物炭用于吸附和回收水溶液中的活性绿（Reactive Green, RG）染料。通过热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）对纺织印染污泥进行表征，并通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）和Brunauer–Emmett–Teller（BET）分析对生物炭进行表征，确认了多孔结构，孔径为6.49 nm，表面积为48.5 m²/g。采用Box–Behnken设计（Box–Behnken Design, BBD）的响应面法（Response Surface Methodology, RSM）优化操作参数，表明在400°C温度、20–25°C/min的停留时间和20–25分钟的升温速率下，可提高炭产量。吸附行为遵循准二级动力学模型（pseudo-second-order kinetic model）和Freundlich等温线（Freundlich isotherm），q_e值为12.82 mg/g，反映了在异质位点上的化学吸附和多层吸附。热力学参数证实了该过程的吸热性和自发性。使用0.1 M HNO₃的解吸研究回收了高达70%的染料，回收的初始浓度为6.2%，染色过程显示出78–85%的染料吸收，证实了部分资源回收。总体而言，与原始RG相比，该性能略有降低，但回收的染料具有明显的经济和环境优势。与大多数仅限于吸附和解吸评估的研究不同，本研究证明了染料回收和再利用的可行性，符合联合国可持续发展目标（UN SDGs）6和12关于水资源管理和负责任生产的要求。

纺织印染业是全球经济的重要支柱，但也是资源消耗和环境挑战最严重的行业之一，尤其是水耗和废水排放。染料在染色过程中大量损失，特别是活性染料，损失率可达20%，部分进入水体造成污染。印度Tirupur地区作为针织服装中心，采用零液体排放（ZLD）技术处理废水，虽有效控制水污染，但产生了大量纺织污泥（TS）。当前污泥处理方式包括填埋和焚烧，存在空间限制、空气污染和温室气体排放等问题。从循环经济角度，污泥可视为富含碳的资源，热化学转化技术（如热解）可将其转化为生物炭，用于吸附废水中的染料。然而，现有研究多集中于吸附效率，忽视了染料回收和再利用的潜力。本研究发表于《Results in Engineering》，旨在填补这一空白，将纺织印染污泥转化为生物炭（TSC），评估其对活性绿（RG）染料的吸附性能，并探索回收染料在纺织染色中的再利用，实现固体废物管理、废水处理与资源循环的闭环，支持联合国可持续发展目标（SDG）6和12。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：热重分析（TGA）评估污泥热稳定性；扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征生物炭表面形态和官能团；Brunauer–Emmett–Teller（BET）分析测定比表面积和孔径；响应面法（RSM）结合Box–Behnken设计（BBD）优化热解参数（温度、停留时间、升温速率）以最大化炭产量；批量吸附实验结合准一级、准二级动力学和Elovich模型以及Freundlich和Temkin等温线模型拟合吸附机制；解吸实验使用0.1 M HNO₃评估染料回收；回收染料用于棉织物染色，并按照ISO 105-C06标准测试色牢度。

研究结果如下：

**3.1 纺织印染污泥的表征**：通过TGA-DTG分析，研究人员发现TS在氮气氛围下经历两阶段分解：200–350°C时低分子量挥发物和半纤维素分解，450–700°C时纤维素和木质素降解，最终在800°C以上形成约20–25%的稳定碳质残渣，证实了TS的热解潜力。

**3.2 吸附剂的表征**：BET分析显示TSC的比表面积为48.5 m²/g，平均孔径6.49 nm，总孔体积0.2269 cm³/g，属于中孔材料（IUPAC IV型等温线）。FTIR光谱表明TSC表面存在羟基（O–H）、氨基（N–H）、羰基（C=O）和芳香环（C=C）等官能团，吸附后这些峰强度变化，证明氢键、静电作用和π–π堆积参与了染料结合。SEM图像显示吸附前TSC表面粗糙、多孔，吸附后表面变得均匀、孔隙部分被填充，证实染料成功吸附。与文献对比，TSC的理化性质与纺织污泥生物炭一致。

**3.3 炭产量的响应面模型**：研究人员采用RSM-BBD建立二次多项式模型，ANOVA分析表明温度、停留时间和升温速率对炭产量有显著影响，模型R2=0.997，预测R2=0.982，信噪比44.06，失拟不显著（p=0.858）。回归方程表明，低温（400°C）、慢升温速率（20–25°C/min）和短停留时间（20–25 min）可实现最大炭产量约53%。响应面图显示温度是主导因素，高温和快速升温协同降低产量。模型验证显示预测值与实验值偏差在±5%以内。

**3.4 吸附行为与建模**：吸附剂剂量实验表明，增加TSC用量提高去除率，但单位吸附容量（q_e）下降。接触时间实验显示约60分钟内去除70–80%的染料，随后趋于平衡。染料浓度实验表明，低浓度下去除率高，高浓度下因位点饱和而下降。温度实验表明，升温促进吸附，显示吸热特性。热力学参数（ΔH为正、ΔG为负、ΔS为正）证实吸附为自发吸热过程，且熵增加。等温线拟合表明Freundlich模型（R2≈0.99）优于Temkin模型，说明异质表面上的多层吸附，Freundlich常数n>1表明吸附有利。动力学拟合表明准二级模型（R2≥0.996）最佳，揭示化学吸附为速率控制步骤；准一级和Elovich模型也较好，支持双阶段吸附和表面异质性。

**3.5 解吸研究**：使用0.1 M HNO₃和0.1 M HCl进行解吸，HNO₃效率略高（约70%），低浓度（100 ppm）下解吸效率更高（65–70%），高浓度（500 ppm）下仅40–45%。TSC经5个吸附/解吸循环后，有效循环仅为2次，之后性能显著下降，可能与孔隙堵塞和表面官能团变化有关。

**3.6 吸附机制**：FTIR光谱变化表明，吸附涉及静电吸引（质子化羟基和氨基与阴离子磺酸基团）、氢键、π–π相互作用以及部分化学吸附。解吸后某些峰未完全恢复，证实化学吸附的存在，解释了高浓度下解吸效率降低的原因。

**3.7 回收RG的染色再利用**：解吸液用于棉织物染色，UV-Vis分析显示染料吸收率达78–85%，染色均匀，表明回收染料保持结构完整性和结合能力。

**3.8 染色织物的色牢度**：按ISO 105-C06标准洗涤后，灰卡评级在2–3至3之间（5级最好），表明颜色强度中等，耐洗性尚可。与原始活性绿染料（3–4至4–5）相比略低，但可用于非严格要求的纺织品（如制服、家用纺织品等）。

在讨论部分，研究人员指出，TSC的吸附容量（12.82 mg/g）虽低于商业活性炭，但与多种低成本废弃物吸附剂相当，且本研究首次实现染料回收和再利用，超越了传统仅关注吸附的研究。解吸效率约70%，染料回收率约6.2%，染色性能良好，尽管色牢度略逊于原始染料，但具有经济和环境优势。未来可通过活化（如化学活化）提高TSC性能，探索温和洗脱剂，并开展中试研究。研究结论翻译如下：本研究突显了TSC作为染料废水有效吸附剂和支持活性绿染料回收的双重功能。结构表征确认了中孔表面（48.5 m²/g，6.49 nm），促进了12.82 mg/g的显著吸附容量，由准二级动力学和Freundlich等温线解释。RSM和BBD确定了最佳热解条件（400°C，20–25°C/min升温速率，20–25 min停留时间），最大炭产量约53%，验证了模型的预测和优化能力。热力学评估确认了吸附的吸热和自发性质，使用HNO₃解吸成功回收了高达70%的染料，相当于防止约6.2%的初始染料浪费。回收染料的染色实验显示78–85%的染料吸收和可接受的耐洗性，支持工业应用，尽管质量略低于原始染料。通过回收和再利用，TSC不仅减少了未消耗染料进入废水处理系统，还降低了对原始染料生产的需求，支持循环经济方法。未来工作可探索共热解、温和洗脱剂及中试规模试验。本研究直接支持SDG 6（减少染料排放）和SDG 12（废物资源化与循环利用）。