一种新型狼尾草基活性炭用于高效去除酒石黄：Box-Behnken优化方法与DFT辅助的机理研究

《Biophysical Chemistry》：Novel Pennisetum Alopecuroides-derived activated carbon for high-efficiency Tartrazine Removal: Box-Behnken optimization and DFT-assisted mechanistic insights

　　

阿里·埃尔巴斯拉维|阿卜杜拉利·格里奇|陶菲克·布齐德|艾莎·纳布乌尔西|希查姆·亚齐德|阿卜杜勒马吉德·雷格蒂|玛穆妮·埃尔希姆里|穆罕默迪内·埃尔哈达德

摩洛哥萨菲市卡迪阿亚德大学多学科学院分析化学与分子化学实验室

摘要

本研究通过磷酸活化化学碳化方法，利用此前未被用于水净化处理的生物质来源——针茅，开发出一种新型高性能生物炭吸附剂。采用系统化的Box-Behnken实验设计，我们优化了该吸附剂对酒石黄染料的吸附过程，在初始浓度为40毫克/升、pH值为6.4、温度为328.15开尔文、吸附剂用量为20毫克/克的条件下，实现了71.75毫克/克的优异吸附容量。通过结合实验表征（FTIR、SEM-EDX、XRD）与理论DFT计算（B3LYP/6-311G）的整合方法，深入阐明了其吸附机制，确定了特定的相互作用位点，并证实该吸附过程遵循伪二级动力学规律及朗缪尔等温线模型。热力学分析显示该吸附为自发的吸热过程（ΔH°为正，ΔG°为负）。值得注意的是，这是首次报道将针茅衍生的活性炭用于染料去除，为传统吸附剂提供了一种可持续且成本更低的替代方案。该吸附剂不仅效率极高，其原料还具有可再生性，因此有望在纺织废水处理系统中得到大规模应用。

引言

水污染是21世纪最严重的环境问题之一，它既危害水生生态系统，也影响人类健康。工业、农业和家庭排放物会向水体中注入多种污染物，包括重金属、持久性有机化合物以及过量营养物质[1]。在这些污染物中，合成染料因其毒性、持久性以及在众多工业领域的广泛应用而尤为值得关注[2]。

全球每年生产的染料超过80万吨，其中近50%属于偶氮染料，这类染料以其稳定性及抗自然降解性而闻名[3]。这些化合物随工业废水排放后，会造成持续性的可见污染，通过阻挡光线穿透并降低水体含氧量来破坏水生生态系统[4]。此外，它们还对包括人类在内的生物具有致突变、致癌和致敏作用[5]、[6]。

选择酒石黄作为模型污染物，是因为它在食品、制药和化妆品行业中被广泛使用，同时也有研究表明它存在过敏反应、内分泌紊乱和基因毒性等健康风险[7]。此外，其复杂的化学结构，包含偶氮键和磺酸基团，使其极难通过常规方法降解，这就需要开发更先进的处理技术。

为解决这一问题，人们探索了多种处理方法，包括混凝絮凝[7]、超滤[8]、电化学法[9]、光催化[10]以及臭氧处理[11]。其中，吸附法因效率高、成本低且易于实施，而被视为去除废水中有机染料的优选技术。与其他处理方法相比，吸附法还具有可规模化应用的优点，同时对有毒物质的敏感度也更高[12]。近期研究重点在于开发高性能吸附剂，尤其注重其多孔结构与表面化学性质。目前常用的材料包括改性氧化石墨烯、金属有机框架（MOFs）、商用活性炭以及纳米多孔碳[13]。然而，这些材料的昂贵成本往往限制了其大规模工业应用，因此人们开始寻找更具经济性的替代品。

近年来，越来越多的研究致力于开发源自低成本木质纤维素生物质的活性炭，将其作为去除有机染料的可持续吸附剂。各种农业和林业废弃物已被成功用作活性炭的前体，展现出对多种污染物的高效吸附能力。例如，用磷酸活化的生物质废料在去除阴离子染料方面表现出色，其吸附容量取决于活化过程中形成的比表面积和孔结构[14]。同样，通过响应面法优化的生物质衍生碳也能有效去除阳离子和阴离子染料，而活化条件则直接影响最终材料的结构与表面化学性质[15]、[16]。

在本研究中，我们的创新之处在于使用了源自摩洛哥萨菲地区一种生长迅速且易获取的草本植物——针茅的活性炭（AC_PA）。这种吸附剂的优势在于：原料成本低且丰富，制备工艺简单，预计具有较高的比表面积和良好的孔结构。这一方法不仅符合循环经济理念，实现了当地植物生物质的资源化利用，同时也为传统吸附剂提供了一种可持续且具有竞争力的替代方案。

本研究旨在实现四个主要目标。首先，以酒石黄去除效率作为响应变量，通过结合Box-Behnken设计与响应面法，系统优化了针茅衍生活性炭的碳化参数，即温度、时间以及磷酸浓度。其次，利用FTIR、SEM-EDX、XRD以及BET比表面积分析等方法，全面表征了AC_PA的物理化学性质，深入了解其结构、形态及表面化学特征。第三，通过研究关键操作参数对AC_PA吸附酒石黄性能的影响，并运用伪一级动力学、伪二级动力学及颗粒内扩散模型、朗缪尔、弗罗因德利希、杜比宁-拉杜什凯维奇和特姆金等平衡等温线模型以及ΔG°、ΔH°、ΔS°等热力学分析方法，对吸附性能进行了评估。最后，通过结合实验数据与B3LYP/6-311G水平的密度泛函理论计算，阐明了该吸附过程的分子相互作用机制，从而全面理解其吸附原理。

章节节选

材料

本研究使用的植物针茅采自摩洛哥萨菲地区。首先用蒸馏水多次仔细清洗植株的茎部，以去除所有杂质和残留物，然后将其置于60℃的烤箱中干燥24小时。干燥后，再用机械研磨机将茎部磨成均匀的细粉。本研究所用的所有化学品均为分析级，无需进一步纯化。磷酸

吸附研究

本研究旨在探讨由针茅制成的活性炭对合成染料酒石黄的吸附性能。该活性炭是在最佳条件下合成的：碳化时间为180分钟，温度为600℃，磷酸浓度为5摩尔/升。吸附实验采用批次方式进行，溶液体积固定为50毫升，同时改变多种参数以评估它们对吸附效率的影响。

为了

FT-IR分析

傅里叶变换红外光谱（FT-IR）可用于分析400至4000厘米?1波段内吸附剂与吸附质之间的功能基团及相互作用。分析结果显示了一些关键特征：3430厘米?1处的强吸收峰，对应于羟基（-OH）的伸缩振动；吸附发生后，-OH峰的强度下降，表明AC_PA中的-OH基团与酒石黄中的-SO₃?或-N=N-基团之间形成了氢键。2918厘米?1处的吸收峰以及

结论

本研究证明了通过磷酸化学活化并利用Box-Behnken设计响应面法优化的针茅衍生活性炭AC_PA具有出色的吸附能力，能够有效去除水溶液中的酒石黄。最优的碳化条件为：温度600℃，时间180分钟，磷酸浓度5摩尔/升，这些条件下制得的活性炭结构良好，表面含有丰富的功能基团，这一结论已通过FTIR分析得到验证，

CRediT作者贡献说明

阿里·埃尔巴斯拉维：写作——审阅与编辑，方法学，正式分析，概念构建。阿卜杜拉利·格里奇：写作——审阅与编辑。陶菲克·布齐德：写作——审阅与编辑。艾莎·纳布乌尔西：写作——审阅与编辑。希查姆·亚齐德：写作——审阅与编辑。阿卜杜勒马吉德·雷格蒂：写作——审阅与编辑。玛穆妮·埃尔希姆里：写作——审阅与编辑。穆罕默迪内·埃尔哈达德：写作——审阅与编辑，可视化，验证，监督。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢马拉喀什卡迪阿亚德大学的化学分析中心所提供的支持。