Inga feuilleei（Pacay）种子高值化利用作为去除水溶液中直接红80（DR80）染料的潜在吸附剂——动力学、等温线、热力学及技术经济分析

《Processes》：Valorization of Inga feuilleei (Pacay) Seeds as a Promising Adsorbent for the Removal of Direct Red 80 Dye in Aqueous Solution—Kinetics, Isotherms, Thermodynamics, and Techno-Economic Analysis Elvis G. Gonzales-Condori, Madelin L. Sotomayor-Asencio, Marycielo F. Mayhuire-Centeno, Olivia A. Paz-Corrales, Jonathan Gonzales-Condori and José A. Villanueva-Salas

　　

纺织废水污染是一个全球性问题，因其潜在的负面环境影响而需要受到重视。因此，在本研究中，研究人员采用Inga feuilleei种子（IFS）粉末作为合成水中直接红80（Direct Red 80，DR80）染料的潜在吸附剂。结果表明，在pH = 2且IFS粉末粒径为150 μm时可获得最高去除效率。IFS粉末的ATR-FTIR（衰减全反射-傅里叶变换红外光谱）分析显示其表面存在-OH、C=C和C-H基团。动力学研究表明，实验吸附数据与准二级动力学模型拟合更佳，提示控制该吸附过程的机制为化学吸附（chemisorption）。在20、30、40和50 °C下，IFS粉末对DR80的最大吸附容量分别为133.11、146.78、152.78和183.51 mg/g。根据热力学研究，该过程属于吸热且自发进行。最后，IFS粉末是一种具有成本效益的替代方案，因为围绕该吸附剂生产工艺开发所提出的项目方案具有可行性和盈利性。综上，IFS粉末是一种用于去除水中DR80的低成本吸附剂，且该工艺有望在纺织废水去除研究中实现放大应用。

该文发表于《Processes》，围绕农业有机废弃物资源化与染料废水治理的交叉问题展开，研究目标明确，即评估Inga feuilleei种子粉末作为直接红80（Direct Red 80，DR80）生物吸附剂的应用潜力，并进一步从工艺放大角度分析其经济可行性。研究背景在于，纺织工业排放的含染料废水具有高化学需氧量和显著色度，不仅抑制水生植物光合作用、破坏水体景观，还可能通过生物富集和食物链传递危害生态系统与人体健康。尤其是偶氮染料可在一定生物环境中发生偶氮键还原，生成具有潜在致癌性、致突变性或致敏性的芳香胺，因此开发高效、低成本、可持续的去除技术具有现实必要性。

现有去除纺织染料的方法包括超滤、电絮凝、电化学氧化、臭氧化、Fenton反应、光催化及生物修复等，但在应用成本、工艺复杂性、运行稳定性和工程放大方面仍存在限制。相比之下，吸附法因工艺简便、环境友好和成本相对较低而受到广泛关注。然而，许多既有研究往往停留在吸附性能验证层面，缺乏对产业实施可行性的系统分析，从而限制了农业废弃物基吸附剂的实际推广。基于此，研究人员选取秘鲁常见果树Inga feuilleei消费后产生的种子废弃物，尝试将其转化为DR80去除材料，并在吸附性能研究基础上加入技术经济分析，以提升研究的工程应用价值。

研究人员首先对吸附材料进行了形貌与表面化学表征，并结合零电荷点（pH_PZC）分析，阐明其表面特征及可能的吸附作用基础。随后，系统考察了粒径和溶液pH对去除效果的影响，筛选最佳操作条件。在此基础上，进一步开展不同初始浓度与不同温度下的动力学、等温线和热力学研究，分析DR80在IFS粉末上的吸附行为、容量上限及作用机制；同时通过循环再利用实验评价材料重复使用性能，并通过净现值（NPV）、内部收益率（IRR）、效益成本比（B/C）和投资回收期（IRP）等指标评估吸附剂生产项目的可行性。研究最终得出结论：IFS粉末对DR80具有较高吸附能力，吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温模型，呈吸热且自发特征，并具有一定再利用潜力与较好的经济可行性。这一结果表明，该材料不仅在实验室尺度具备应用前景，也为农业副产物高值化利用和纺织废水治理提供了新路径。

本研究使用的关键技术方法主要包括：以秘鲁Arequipa地区市场有机废弃物来源的Inga feuilleei种子为原料，经粉碎与分级后制备不同粒径吸附剂；采用扫描电子显微镜（SEM）和ATR-FTIR进行形貌及官能团表征，并通过pH_PZC测定分析表面电荷性质；在控制pH、温度、初始浓度和接触时间条件下进行批量吸附实验，使用UV/VIS分光光度法在530 nm下定量DR80；通过准一级/准二级动力学模型、Langmuir/Freundlich等温模型和Van’t Hoff方程分析吸附机理与热力学参数；最后结合项目现金流进行技术经济评价。

在研究结果部分，作者依次从多个小节展开分析。

3.1. SEM Characterization
SEM结果显示，Inga feuilleei种子粉末具有粗糙、不规则、非均质且带孔的表面形貌。研究人员据此指出，该类结构与木质纤维素材料的典型形貌相一致，并可能为染料分子提供较多可接触位点和传质通道，从而赋予材料吸附性能。

3.2. Point of Zero Charge
零电荷点分析表明，IFS粉末的pH_PZC为4.67。这意味着当pH < 4.67时，材料表面总体呈正电；当pH > 4.67时，表面总体呈负电。该结果为后续解释阴离子型染料DR80在酸性条件下表现出更高去除率提供了依据。

3.3. Effect of the Particle Size
粒径效应实验表明，150 μm粒级的IFS粉末具有最高DR80去除效率，为45.33 ± 0.89%，且显著高于300、425和600 μm粒级。研究人员认为，粒径减小可提高比表面积和表面可用吸附位点数量，因此更有利于吸附过程进行。

3.4. pH Effect
pH影响实验显示，在pH = 2条件下，DR80去除效率达到77.15 ± 0.77%，并显著高于pH 3–6各组。随着pH降低，去除效率升高。结合pH_PZC结果，研究人员指出，在强酸性条件下IFS表面发生质子化并带正电，可通过静电吸引促进阴离子染料DR80的吸附。

3.5. FTIR Characterization
ATR-FTIR结果显示，IFS粉末表面存在-OH、C-H和C=C等官能团，具体包括3273 cm^?1处的-OH伸缩振动，2927和2877 cm^?1处的C-H伸缩振动，1636 cm^?1处的C=C伸缩振动等。吸附DR80后，相关峰强增强，表明染料分子已吸附至材料表面，并引起表面振动特征变化。

3.6. Kinetic Study
动力学分析表明，在20、30、40和50 °C以及100–400 mg/L初始浓度条件下，实验数据均与准二级动力学模型拟合更好，其R²高于准一级模型。研究人员据此认为，DR80在IFS粉末上的吸附受化学吸附（chemisorption）控制。同时，初始浓度升高会降低去除效率，而温度升高则有助于提升去除效率。

3.7. Isotherms
等温线结果表明，在20、30、40和50 °C下，Langmuir模型均优于Freundlich模型，说明DR80在IFS粉末表面的吸附更符合均一位点上的单分子层吸附机制。依据Langmuir模型计算的最大吸附容量分别为133.11、146.78、152.78和183.51 mg/g，且随温度升高而增加，表明升温有利于吸附进行。与部分其他吸附剂相比，IFS粉末表现出较高吸附容量。

3.8. Thermodynamics
热力学分析得到ΔH° = 67.85 kJ/mol、ΔS° = 241.21 J/mol·K，说明该吸附过程为吸热过程且伴随体系无序度增加。ΔG°随温度升高而趋于更负，表明过程具有自发性，且高温下更有利于进行。与此同时，Langmuir常数K_L随温度显著上升，也说明高温增强了DR80与IFS之间的亲和作用。较高的ΔH°数值进一步支持化学吸附机制判断。

3.9. Reuse
循环使用实验表明，IFS粉末在第1次使用时对100 mg/L DR80的去除率为78.41%，至第2、3、4和5次循环时分别降至72.72%、66.57%、56.17%和50.98%。这一结果说明该材料具备一定重复使用能力，但吸附性能会随循环次数增加而逐步衰减。

3.10. Techno-Economic Analysis
技术经济分析显示，IFS粉末生产项目的NPV为35,701.46 USD，IRR为25.47%，高于资本机会成本（COK）12.33%；B/C为1.49，大于1；IRP为3.6289年，即3年7个月16天。研究人员据此认定，基于IFS粉末的吸附剂生产项目具有可行性和盈利性，表明其不仅具备实验室去除效果，也具备一定产业化潜力。

在讨论层面，论文的核心贡献在于将吸附性能评价与工程经济评价结合起来，使农业废弃物基吸附剂研究不再局限于材料层面的初步验证。研究证明，Inga feuilleei种子粉末的吸附行为受到表面电荷特性、表面官能团、粒径效应和温度因素的共同影响；其中，低pH条件下的静电作用及准二级动力学所指示的化学吸附，是理解DR80去除机制的关键。Langmuir模型拟合优良说明其吸附位点相对均一，且吸附以单层覆盖为主。热力学结果进一步表明，提高温度可增强体系自发性和亲和力。虽然材料在重复使用过程中性能有所下降，但结合其原料来源广泛、制备简单和经济指标良好等优势，仍显示出较高的应用前景。整体而言，该研究为Pacay种子废弃物高值化利用、阴离子偶氮染料去除及低成本吸附技术产业放大提供了较完整的数据支撑。

研究结论可概括为：Inga feuilleei种子（IFS）粉末具有粗糙、不规则、非均质且多孔的形貌特征，这些性质赋予其对直接红80（DR80）的吸附能力。IFS粉末在pH = 2和粒径150 μm条件下表现出最高去除效率。由于最佳去除发生在低于零电荷点pH_PZC = 4.67的条件下，说明静电吸引是DR80吸附过程中的作用机制之一。ATR-FTIR分析表明，IFS粉末含有-OH、C=C和C-H基团。准二级动力学模型能够更好描述实验吸附数据，表明化学吸附是另一限制机制。根据Langmuir模型，IFS粉末在20、30、40和50 °C下对DR80的最大吸附容量分别为133.11、146.78、152.78和183.51 mg/g，说明吸附容量随温度升高而增加。Gibbs自由能变化随温度升高而更加负值，表明该吸附过程为吸热且自发。最后，IFS粉末是一种具有成本效益的替代吸附剂，其生产项目具有正NPV、IRR高于COK、B/C大于1，投资回收期为3年7个月16天，因而在经济上可行且具有盈利性。