利用BPAC/ZnO复合材料的混合系统机制，结合Java Moss（Taxiphyllum Barbieri）进行植物修复，以实现协同吸附和降解布洛芬的效果

《Surfaces and Interfaces》：Hybrid System Mechanism using BPAC/ZnO Composite Integrated with Java Moss ( Taxiphyllum Barbieri) Phytoremediation for Synergistic Adsorptive Ibuprofen Degradation

布洛芬去除、生物复合材料、光催化降解、Java Moss植物修复、物联网实时监测

　　

Sri Auliyah Azis|Dahlang Tahir|Badril Azhar|Abdur Rahman Arif|Ali Hamed Alomari|Mohammad Ibrahim Sayyed|Heryanto Heryanto

印度尼西亚马卡萨尔哈桑乌丁大学物理系，邮编90245

摘要

通过将香蕉皮活性炭（BPAC）和氧化锌（ZnO）的生物复合材料与植物修复剂Java Moss结合，成功开发出一种用于从水溶液中去除布洛芬的新混合系统。动力学分析和等温线模型表明，布洛芬的去除过程可以用伪一级动力学模型（R2：0.97）以及Temkin和Freundlich等温线模型（R2分别为0.98和0.96）来描述。研究结果表明，在异质表面上主要发生物理吸附和多层吸附过程，这从降解程度的提高中可以得到证实。Java Moss与BPAC/ZnO复合材料的结合利用了材料的吸附和光催化降解特性，再加上Java Moss的植物吸收能力，使得布洛芬的去除效率高达98%。进一步的成本分析证实了这些合成材料的经济可行性，表明这种集成系统是一种高效、可持续且成本效益高的解决方案。

引言

近年来，水生生态系统受到药物污染物（尤其是布洛芬）的污染日益严重，这已成为一个全球性的环境问题。布洛芬等化合物作为止痛药和抗炎药被广泛使用，经常在废水[1]和自然水体[2]中被检测到，由于其持久性[3]，对水生生物构成了重大威胁。尽管已有许多关于使用各种方法（包括化学[4]、生物处理[5]和传统物理方法[6]）去除这些污染物的研究，但大多数现有方法存在成本高、产生二次废物和效率有限等缺点，尤其是对于微量污染物而言。因此，迫切需要开发出创新且环保的解决方案，能够可持续且高效地去除布洛芬等污染物。

此外，虽然单一处理过程（如吸附或光催化）显示出有希望的结果[7]，但这些方法的效率往往受到自身局限性的制约。例如，光催化方法的有效性受到催化剂表面污染物浓度低的限制[8]，而吸附剂的容量也会随时间饱和[9]。结合吸附和光催化处理机制的混合系统概念为克服这些挑战提供了协同效应[10]。将吸附剂和光催化剂材料（如生物复合材料）与植物修复[11,12]等生物过程相结合，可以利用每种方法的互补优势，从而提供全面的解决方案。因此，探索将生物复合吸附剂-光催化剂与活植物结合的新混合系统是一种有吸引力的策略，可以实现高去除效率同时将环境影响降到最低。

因此，本研究旨在探讨一种用于从水溶液中去除布洛芬的新混合系统的性能。我们合成并表征了一种由香蕉皮活性炭（BPAC）和氧化锌（ZnO）纳米颗粒组成的生物复合材料，并在含有Java Moss（Taxiphyllum barbieri）的双组分系统中评估了其有效性，以探索吸附、光催化降解和植物修复的协同效应。本文详细分析了这种生物复合材料的物理化学性质，这些材料天然含有活性官能团（如氧基（O-H、C=O、C-O）和金属氧化物位点（ZnO），并讨论了基于物联网（IoT）的实时监测动力学和等温线研究结果，作为废水处理的新策略。先前的研究[13]表明，基于锯末的活性炭在5-20 mg/L的浓度范围内可实现约55.5%至98.6%的布洛芬去除率，最佳处理时间为120分钟。而我们的研究发现，在24小时接触时间内，BPAC/ZnO与Java Moss的集成植物修复系统的布洛芬去除效率高达600 mg/L，去除率从82%到98%不等。与之前报道的单一吸附研究相比，整体去除效率更高，这表明将复合材料与植物修复结合使用能够更彻底地去除布洛芬等药物污染物。该系统为表面和界面科学领域带来了突破，为设计具有协同吸附作用、光催化表面作用和植物提取功能的集成材料提供了新的见解，为布洛芬药物废物的处理提供了一种有前景且可持续的方法。

材料

成熟的香蕉皮（Musa paradisiaca formatypica）来自印度尼西亚马卡萨尔的当地农民。研究中使用的化学试剂包括氢氧化钾（KOH，90%，Merck）、乙酸锌二水合物（Zn(CH?COO)?·2H?O，0.1 M，Merck）、磷酸（H?PO?，85%，Merck）以及通过微离子交换过滤器（NW-PR202UV）处理过的去离子水。

氧化锌纳米颗粒的制备

如图1(a)所示，使用乙酸锌二水合物和KOH溶液合成了氧化锌纳米颗粒[14]。

FTIR分析

图3(a)中的FTIR分析显示了使用前的BPAC、ZnO和BPAC/ZnO复合材料的特征红外光谱。这些光谱证实了复合材料的组成，并确定了各组分的主要官能团。特别是ZnO和BPAC/ZnO在446 cm?1波长处的强吸收峰表明存在Zn-O伸缩振动键[28]。与图3(a)提供的数据一致，纯BPAC中未检测到Zn-O吸收峰，证实了这一点。

结论、局限性和未来方向

结论：本研究成功开发了一种利用BPAC/ZnO生物复合材料和Java Moss的混合系统，用于高效去除布洛芬等污染物。XRD分析证实了关键官能团和相的存在，ZnO组分具有高结晶度。动力学研究表明，吸附过程符合伪一级模型，R2值为0.97，表明主要发生物理吸附。

资助

本研究尚未获得任何公共、商业或工业机构的特定资助。

作者贡献

Sri Auliyah Azis：提出研究思路，准备初稿，数据管理，方法论设计和审稿。Dahlang Tahir：监督和验证。Badril Azhar：方法论设计，项目管理和可视化。Abdur Rahman Arif：软件开发和验证。Ali Hamed AlomariMohammad Ibrahim SayyedHeryanto Heryanto：概念构思，数据分析，监督。

出版同意

所有作者均同意本文的发表。

利益冲突

作者声明与本研究、作者身份或文章的发表无关任何利益冲突。

数据获取

可根据合理请求提供数据。

数据可用性声明

本研究分析的所有数据均已包含在文章中。

未引用的参考文献

[43,46]

CRediT作者贡献声明

Sri Auliyah Azis：写作——审稿和编辑，初稿撰写，数据管理，概念构思。Dahlang Tahir：验证，监督。Badril Azhar：可视化，项目管理，方法论设计。Abdur Rahman Arif：验证，软件开发。Ali Hamed Alomari：写作——审稿和编辑，初稿撰写，监督，资源协调。Mohammad Ibrahim Sayyed：调查，数据分析。Heryanto Heryanto：写作——审稿和编辑，初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢乌姆阿尔-库拉大学（Umm Al-Qura University）的实验室和机构为这项研究提供的设施和技术支持。