用于亚甲蓝吸附的地质聚合物泡沫：吸附机理、再生方法、植物毒性降低以及成本分析

《Journal of the Indian Chemical Society》：Geopolymer foam for methylene blue adsorption: mechanisms, regeneration, phytotoxicity reduction, and cost analysis

本研究探讨地质聚合物泡沫对甲苯蓝的吸附特性，吸附容量达390 mg/g，Langmuir模型验证其高亲和力，再生性能优异且无残留毒性，经济分析表明其作为低成本高效水处理吸附剂具有潜力。

　　

Otmane Mqadmi|Omar Boualam|Sara Benkhirat|Imane Lebkiri|Abdelhay El Amri|Youssef Miyah|Gael Plantard|Elmahdi Hbaiz|Khalid Nouneh

摩洛哥凯尼特拉伊本·托法伊尔大学理学院先进材料与工艺工程实验室

摘要

本研究探讨了甲基蓝（MB）在地质聚合物泡沫上的吸附行为，重点分析了该过程的动力学、等温性和热力学特性。实验测得的吸附容量为390 mg g^-1，而Langmuir模型预测的最大吸附容量在458至555 mg g^-1之间，这证实了该材料具有很高的亲和力。吸附过程遵循Langmuir模型和伪二级动力学规律，且非线性拟合效果较好。热力学分析表明该过程是自发的吸热过程。

通过热处理和溶剂洗涤，该地质聚合物泡沫还表现出优异的再生性能。对萝卜种子进行的植物毒性测试显示，该材料能有效去除染料并完全恢复其发芽能力，表明不存在残留毒性。最后，经济分析表明这种材料作为一种耐用且低成本的废水处理吸附剂具有广阔的应用前景。

引言

合成染料造成的水污染是一个日益严重的环境问题，因为这些染料具有毒性、低生物降解性，并且在水中长期存在。甲基蓝（MB）是一种广泛应用于纺织、造纸和制药行业的阳离子染料，是工业废水中最常见的污染物之一[1]、[2]。甲基蓝进入水系统可能危及水生生物乃至人类健康，因此亟需开发可靠且经济有效的处理方法[3]、[4]。

传统的水处理方法（如臭氧氧化和紫外线（UV）照射）通常无法去除顽固性染料，因为这些方法能耗较高。虽然吸附技术因其相对简单、高效和多功能性而被认为是最有效的方法之一，但活性炭和生物炭等吸附剂由于价格昂贵且再生潜力有限，难以大规模应用[5]、[6]。

地质聚合物泡沫作为废水处理的替代吸附剂受到了广泛关注。这类泡沫是通过碱激活铝硅酸盐前驱体制备得到的。它们具有高孔隙率、可调的表面化学性质和化学稳定性，尤其是其开孔的大孔结构有利于快速吸收污染物。Papa等人（2016年）和Al-Tohamy等人（2022年）的研究表明，由硅灰制成的泡沫对甲基蓝的吸附容量超过350 mg g^-1，对阴离子染料（如刚果红和酸橙）的去除效率超过90%[7]、[8]。甲基蓝因其稳定性、明显的颜色以及易于分析监测而常被用作吸附研究的模型污染物，这有助于评估吸附剂的性能并与其他文献结果进行比较。本研究的结果可推广到结构相似的其他有机污染物[9]。

此外，地质聚合物泡沫可以通过物理或化学改性来提高选择性或吸附容量，因此其在处理复杂废水方面具有巨大潜力。然而，目前对地质聚合物泡沫的吸附机制了解仍有限，也未与其他吸附剂进行充分比较。

这表明地质聚合物泡沫作为多种类型污染物（包括阳离子和阴离子染料）的吸附剂具有很好的适应性和效率。这些研究结果可为创新和可持续的水处理技术的发展提供指导。地质聚合物被认为是继石灰和普通波特兰水泥之后的第三代水泥[9]。“地质聚合物”通常指无定形的碱铝硅酸盐，也被称为无机聚合物或陶瓷材料。这些材料都是通过将固体铝硅酸盐粉末与碱硅酸盐溶液反应合成的，其基本结构由重复的硅酸盐单体单元（-Si–O–Al–O–）组成[10]、[11]、[12]。

多孔地质聚合物泡沫因其优异的物理和机械性能、热稳定性和化学稳定性以及低能耗合成工艺而受到关注[13]。它们被用于多种应用，如膜材料、吸附剂、催化剂以及热绝缘和声绝缘[14]、[15]。其高度多孔的结构有利于污染物与吸附剂的快速相互作用[15]、[16]。

这些材料的吸附特性主要受其孔隙率及孔隙结构（如孔径分布、内外比表面积和孔隙连通性）的影响。因此，在合成过程中通过调整发泡剂浓度、固化条件等参数可以优化孔隙结构，从而提高吸附性能。具有优化孔隙结构的材料既能促进污染物的快速传输，又能增强表面结合力，从而提高去除效率[18]、[19]。

有多种技术可用于制备地质聚合物泡沫，以调控其大孔特性[19]、[20]。主要方法是直接发泡，即在固化前向地质聚合物浆料中注入空气或发泡剂；也可使用聚合物泡沫作为地质聚合物浆料的支撑结构[21]。通过改变粘合剂含量、混合比例和发泡剂等制备参数，可以调控地质聚合物泡沫的性能[7]、[8]。最新研究表明，通过改变合成条件可以制备出不同孔隙结构的地质聚合物泡沫（如微孔支撑体和交联蜂窝状泡沫）[24]。根据操作条件，还可以调节孔径分布、封闭孔、开放孔或连通孔等孔隙特性[26]。

地质聚合物泡沫具有极高的孔隙率和连通性，因此在废水处理中表现出优异的性能，尤其是在吸附污染物和染料方面[26]。许多研究表明，地质聚合物泡沫可作为有效去除多种污染物的吸附剂。例如，Ge等人（2015年）使用基于地质聚合物的膜成功去除了废水中的Ni²⁺和Cr³⁺离子，去除效率超过85%[27]。表面改性的地质聚合物泡沫对药物污染物也有良好的吸附效果，对布洛芬和对乙酰氨基酚的去除效率超过90%[28]。另一项研究显示，使用地质聚合物-生物炭复合材料可从合成废水中去除80%以上的磺胺甲噁唑[29]。

地质聚合物泡沫还能吸附杀菌剂（如三氯生），氧化铁的改性处理可进一步提高其去除效率，使其去除效率超过70%。这些结果证明了地质聚合物泡沫在处理含复杂污染物（包括模型染料）的废水方面的通用性。通过精确调控孔隙结构和表面化学性质，可以增强其吸附性能并便于再生和重复使用[30]。此外，地质聚合物泡沫的表面化学性质可以通过引入特定化学基团或目标吸附材料来进一步优化[32]、[33]。鉴于废水排放带来的环境问题，地质聚合物泡沫在吸附染料方面表现出显著优势[33]。

本研究通过复制法制备了多孔地质聚合物泡沫，并评估了其去除水中甲基蓝的能力。研究内容包括：（i）分析泡沫的结构特性；（ii）在不同实验条件下的吸附行为；（iii）利用动力学、等温性和热力学方法建立吸附模型；（iv）将其吸附性能与文献中的传统吸附剂进行比较。这些研究有助于深入理解地质聚合物泡沫作为高效、低成本和可持续废水处理吸附剂的潜力。

材料

实验中使用的铝硅酸盐前驱体为偏硅酸铝（Al₂O₃·2SiO₂）。氢氧化钠（NaOH，浓度8 M）和硅酸钠溶液（Na₂SiO₃）购自Sigma-Aldrich公司。作为模板使用了平均孔隙率为87%、孔径为0.5–2 mm的聚乙烯泡沫（标记为PEF）。甲基蓝（C₁₆H₁₈ClN₃S，分子量319.85 g·mol^-1，最大吸收波长664 nm，纯度99%）购自摩洛哥卡萨布兰卡的SOLVACHIM公司，无需进一步纯化即可使用。所有溶液均按标准制备。

地质聚合物泡沫的表征

图3中的SEM观察结果显示，地质聚合物泡沫的形态存在显著异质性。在3 μm的放大倍数下，微观结构表现为板状颗粒，大小通常为几微米，这些颗粒层叠排列形成几何形状不规则的簇。

结论

本研究证明了地质聚合物泡沫在去除水中的甲基蓝（MB）方面的有效性。通过复制法制备泡沫的过程表明，该材料对甲基蓝具有很高的亲和力，最大吸附容量可达390 mg g^-1。动力学研究表明，非线性伪二级动力学模型能够较好地描述实验数据。

CRediT作者贡献声明

Khalid Nouneh：负责撰写初稿、数据可视化、结果验证和指导工作。Elmahdi Hbaiz：负责撰写初稿、数据可视化、结果验证和指导工作。Abdelhay El Amri：负责撰写初稿、软件选择、资源准备、方法论设计和实验实施。Imane Lebkiri：负责撰写初稿、资源准备、方法论设计、实验设计和概念构思。Gael Plantard：负责撰写初稿、数据可视化、结果验证和指导工作。Youssef Miyah：负责撰写初稿、软件选择和资源准备。

未引用的参考文献

[17], [22], [23], [25], [31], [38], [43], [56], [63], [74]。

伦理批准

不适用。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据和材料的可用性

本文未使用任何特定的数据集或材料。

资助

本文未接受任何外部资助。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了Pierre Hubert Curien计划（项目编号PHC-47219QH，2022年）的支持。感谢Yonko Gorand在SEM分析和材料表征方面的协助，以及Eric Bêche在XRD分析方面的支持，这些分析是在材料表征平台（PCM-PROMES Odeillo）完成的。