基于香蕉和石榴废弃物掺入聚氯乙烯（PVC）基体的可持续复合材料用于亚甲基蓝吸附

《Scientific Reports》：Sustainable composites based on banana and pomegranate waste incorporated into Polyvinyl Chloride Matrix for methylene blue adsorption

　　

将合成染料排放至水体对环境构成重大风险，因此亟需可持续的处理方法。源于农业废弃物的生物吸附剂是去除染料的高效候选材料，但其细粉在使用后从处理水中的分离难题限制了实际应用。本研究开发了环保、低成本且易于回收的生物吸附材料，用于废水中亚甲基蓝（Methylene Blue, MB）的去除。研究人员采用球磨对香蕉和石榴废弃物进行微粉碎，随后将其掺入聚氯乙烯（PVC）中（农业废弃物占聚合物质量的10%）以形成复合薄膜[空白PVC、PVC-香蕉（PVC-B）及PVC-石榴（PVC-P）]，旨在便于处理工艺后的材料回收。表征技术显示，合成的复合薄膜具有高度多孔架构，孔隙率为70%–73%，溶胀能力为472–488 wt%。扫描电镜（SEM）揭示了复合材料的多孔结构，衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ART-FTIR）证实了农业废弃物成功嵌入聚合物基体。Brunauer–Emmett–Teller（BET）分析显示，PVC-B和PVC-P的比表面积分别高达1057 m2/g和531.9 m2/g，孔体积分别为1.90和1.08 μm3。研究人员通过单因素法（OFAT）及后续析因设计实验优化了复合薄膜对MB的去除性能。结果表明，使用4 g/L的PVC-B和PVC-P薄膜时，MB吸附容量分别达到约75.2和66.4 mg/g。吸附数据最符合Langmuir等温模型（PVC-B: R2=0.997；PVC-P: R2=0.998），最大吸附容量（qmax）分别为79.89和70.92 mg/g。动力学研究显示吸附过程符合准二级动力学模型（R2≥0.998），暗示化学吸附机制。PVC-B和PVC-P在MB的去除、回收及五次循环再利用过程中表现出良好的吸附效率与稳定性。综上，该复合薄膜是一种用于MB去除的环保、经济且易回收的生物吸附剂。

论文解读：基于PVC-农业废弃物复合薄膜的亚甲基蓝废水处理研究

一、研究背景与意义

工业废水中的合成染料（如亚甲基蓝，Methylene Blue, MB）对环境与人类健康构成严重威胁。传统物理化学处理技术（膜过滤、混凝等）往往成本高昂或产生二次污染。农业废弃物因其丰富、低成本及表面富含羟基（-OH）与羧基（-COOH）等活性官能团，被视为极具潜力的生物吸附剂。然而，粉末状生物吸附剂在工业级连续流处理中存在难以从水中分离回收的瓶颈。针对此，研究人员通过将微磨后的香蕉皮与石榴皮废弃物掺入聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride, PVC）基体，利用相转化法制备成可快速回收的复合薄膜（PVC-B与PVC-P），以兼顾吸附性能与工程应用便利性。该研究成果发表于《Scientific Reports》。

二、主要关键技术方法

研究人员首先收集并球磨筛分香蕉与石榴皮至<63 μm，将其以10 wt%（相对PVC质量）的比例加入60℃溶解于二甲基甲酰胺（DMF）的PVC溶液中，通过流延法在玻璃板上铺展后浸入水凝浴（非溶剂诱导相分离）成膜。通过扫描电镜（SEM）、衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ART-FTIR）、Brunauer–Emmett–Teller（BET）比表面积分析及溶胀/孔隙率测试进行材料表征。吸附优化采用单因素法（OFAT）锁定范围后实施全因子设计（2³×3¹）。吸附机理通过Langmuir、Freundlich等温线及准一级/准二级动力学模型拟合，并结合热力学参数与五次乙醇解吸-再吸附循环评估再生性。

三、研究结果

1. 复合薄膜的表征

SEM显示空白PVC呈典型不对称海绵状大孔结构，掺入废弃物后颗粒嵌入膜体与孔壁，PVC-B因香蕉果胶的高亲水性加速了溶剂/非溶剂交换，形成更连通的中孔网络。ART-FTIR在3354 cm^?1（O-H）及1735 cm^?1（C=O酯/羧基）处增强的吸收峰证实生物质官能团成功引入。BET分析表明PVC-B（1057 m²/g）比表面积约为PVC-P（531.9 m²/g）的2倍，属IV型等温线伴H3回线，平均孔径2–25 nm（介孔主导）。溶胀率由空白PVC的460%升至PVC-P的472%与PVC-B的488%，孔隙率维持在70%–73%。

2. 吸附过程优化

单因素实验确定较优区间：pH 7–9、剂量4 g/L、初始MB 50–100 ppm、接触时间180 min、温度25–50℃。全因子设计进一步揭示剂量为最显著因子（Pareto图），且与pH、温度存在正向交互作用。在4 g/L、pH 7、100 ppm、180 min条件下，PVC-B与PVC-P对MB的去除率分别达94%与80%，对应平衡吸附容量（q_e）为79.89与70.92 mg/g。

3. 吸附等温线与机理

Langmuir等温模型拟合最优（PVC-B: R²=0.997；PVC-P: R²=0.998），预示均质表面的单分子层吸附，最大理论容量（q_max）分别为79.89与70.92 mg/g。Dubinin–Radushkevich（D–R）模型平均自由能（E）为246–668 J/mol（＜8 kJ/mol），结合Temkin的b_T正值，表明以物理吸附为主的静电吸引与氢键协同作用。空白PVC对各模型拟合极差（R²<0.66），证实未改性PVC缺乏有效结合位点。

4. 吸附动力学

准二级动力学模型对PVC-P（R²=0.992）与PVC-B（非线性R²=0.942）拟合最佳，Elovich模型也具较高相关性，说明化学吸附（价电子交换）在能量异质表面上发生。颗粒内扩散模型呈多段线性且截距不为零，意味着边界层扩散与膜内孔扩散共同控速，其中PVC-B具有更高内扩散速率常数（k_id=1.661 mg/g·min^0.5）。

5. 热力学研究

Van 't Hoff分析显示，MB在三种膜上的标准吉布斯自由能变（ΔGo）在298.15 K下均为负值（PVC-B: ?7.05 kJ/mol；PVC-P: ?8.02 kJ/mol），为自发过程。标准焓变（ΔHo）为负（?9.63至?17.20 kJ/mol），属放热反应，升温略降自发度但可提升分子扩散与早期速率。标准熵变（ΔSo）为负（?11.40至?30.79 J/mol·K），反映MB分子固液界面有序度增加，PVC-P体系有序化最显著。

6. 解吸与循环使用

以50%乙醇水溶液为解吸剂，PVC-B在5次“吸附-解吸”循环后仍能维持初效约96%的MB去除率。乙醇降低表面张力并促进染料离子解离溶出，同时在再生中适度破坏生物质内部氢键，暴露出新活性位点，使复合膜兼具机械完整性与可更新表面活性。

四、讨论与结论总结

研究人员通过相转化法成功制备了PVC-农业废弃物复合吸附薄膜。香蕉皮（富果胶/纤维素）较石榴皮（较高木质素/单宁）赋予薄膜更高亲水性、比表面积与羧基密度，故PVC-B性能更优。吸附以Langmuir型单分子层为主，受准二级化学吸附与介孔内扩散共同控制，过程自发且具适度放热特征。10 wt%废弃物掺杂使单位染料去除成本大幅下降（原料成本降约9%，考虑DMF回收后制膜成本可低至~4.69 USD/kg），且薄膜可物理循环使用五次以上。

结论原文意译：

研究人员利用相转化技术成功制备了三种聚合物薄膜——空白聚氯乙烯（PVC）、PVC-香蕉（PVC-B）及PVC-石榴（PVC-P）——用于MB去除。复合薄膜呈高孔隙率、大溶胀（可达488%）的多孔结构。在pH 7、4 g/L剂量、100 ppm MB、180 min条件下，PVC-B与PVC-P对MB的去除率分别达94%与83%。吸附行为符合Langmuir与D–R等温模型，动力学倾向准二级与Elovich模型，属异质表面化学吸附。PVC-B薄膜经五次循环再生后仍保持约95%的初始效率。研究表明，PVC-B薄膜是一种廉价、环保且适用于废水MB去除的实用可循环生物吸附剂。未来可进一步在反应器设计中放大验证其工业应用潜力。