含羞草决明与辣木种子提取物及聚合氯化铝处理地表水的比较评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Comparative evaluation of surface water treatment by Cassia fistula and Moringa oleifera seed extracts and poly-aluminium chloride

　　CF（Cassia fistula，决明）和MO（Moringa oleifera，辣木）种子生物胶与PAC（聚合氯化铝）在同一种天然地表水中进行了对比研究。• BET比表面积、Zeta电位和零电荷点（pH_pzc）结果表明，电荷中和是主要机理。• 两种生物胶在pH 3时均能达到最高的浊度和色度去除率。• 处理后水样色度满足国标限值，但浊度未达到国家标准的2 NTU限值。• CF提取液在14天内保持活性，而MO提取液未能保持。## 引言清洁水是全世界人类健康的基本需求。城市区域和工业区附近的水源正遭受严重的人为污染。受污染的地表水不仅危害水生生态系统，还直接影响工业和民用原水的质量。人们已开发了多种地表水处理技术，包括混凝、电化学氧化、沉淀等（Nguyen, 2000）。然而，越来越多的研究关注利用天然生物质材料识别环境友好且经济高效的替代方案（Iqbal et al., 2018）。其中，混凝在水处理中发挥着至关重要的作用，能有效去除悬浮沉淀物、降低硬度，并提高后续沉淀、过滤和消毒等工艺的效率（Vishali et al., 2020）。目前，聚合氯化铝（PAC）等化学混凝剂因其高效的混凝处理效果而被广泛应用。然而，这些合成混凝剂也存在一些挑战，包括化学污泥的环境足迹以及处理后水中残余铝污泥可能带来的健康风险（Pritchard et al., 2010）。因此，寻找可再生的天然混凝剂替代品，以降低残余化学物质风险至关重要。生物絮凝材料有助于最大限度提升资源可持续性，降低浊度，并提高过滤、消毒和沉淀等后续处理工艺的效果。此外，该方法还有助于稳定pH值，弥补化学混凝剂固有的局限性，特别是关于有害残余浓度的问题（Iqbal et al., 2018）。决明（Cassia fistula，简称CF）和辣木（Moringa oleifera，简称MO）因其多功能应用特性而在医药和日常生活中被广泛认可（Zafar, 2008）。这些植物在世界多个国家普遍生长，尤其多见于热带地区（Vunain et al., 2019）。先前的研究表明，这些植物具有固有的生物混凝特性；具体而言，从决明种子中提取的生物胶在澄清纺织废水方面表现良好，而辣木在废水处理中表现出显著的混凝活性（Nonfodji et al., 2020, Dao, 2018）。生物胶是从植物种子中提取的水溶性天然聚合物，可用作混凝剂或助凝剂，通过电荷中和、吸附和粒子间架桥作用使悬浮胶体失稳，同时在水处理过程中引入极少甚至不引入化学残留物。然而，决明和辣木的混凝剂在化学性质上截然不同，这一差异是本次比较研究的核心。在辣木种子中，活性成分为低分子量二聚体阳离子蛋白（约13 kDa），等电点为pH 10-11，主要通过吸附和电荷中和作用使带负电的胶体失稳（Ndabigengesere et al., 1995）。相比之下，决明种子的混凝剂是一种高分子量的半乳甘露聚糖类多糖，在水中携带净负电荷，其长链聚合物主要通过氢键作用促进吸附和粒子间架桥作用来实现失稳，而非通过电荷中和（Dao et al., 2021a）。这种蛋白质与多糖的对比决定了每种提取液的固有表面电荷；然而，如3.1.4节所示，溶液的pH值最终决定了哪种机理占主导地位，本研究对此进行了直接考察。这些特性还带来了一些实际应用限制，在公平评估时必须予以考虑：由于活性成分本身是在大量投加的有机聚合物，部分投加物料可能残留于处理后水中并提高其溶解有机质含量；此外，提取液的储存稳定性取决于活性成分的化学性质。本研究对这两个方面均进行了定量考察。迄今为止，这两种混凝剂主要被用于废水处理研究，且许多情况下是在合成浊液悬浮液而非天然地表水上进行测试的。因此仍存在三个方面的不足。第一，决明和辣木很少在同一水体、相同运行条件下进行对比评估，与针对同一水体独立优化的常规混凝剂的对比更为少见，因此无法从现有文献中确定它们之间的相对性能以及与被其替代的合成基准物之间的表现。第二，很少有研究将处理性能与结合SEM、EDS和FTIR、BET比表面积、Zeta电位和零电荷点测量的表征体系相结合，而这正是将每种生物胶的组成和形态与其混凝机理而非仅仅与其混凝行为联系起来的关键。第三，在将天然地表水用于民用的适用性方面，以国家饮用水标准为基准并结合完整的表征体系进行研究，在全球范围内受到的关注有限。本研究直接针对这些不足展开。为此，本研究采用简单低成本的含水方法从决明和辣木种子中提取生物胶，并在天然湖水（初始浊度46-50 NTU；表观色度2140 TCU）上对其混凝性能进行对比研究，同时与常规混凝剂PAC进行对比。具体研究目标为：（i）利用SEM、EDS、FTIR、BET比表面积、Zeta电位分析和零电荷点对两种生物胶进行表征；（ii）确定并比较决明、辣木和PAC在浊度和色度去除方面的最优运行条件；（iii）根据表征数据解释每种生物胶的混凝机理；以及（iv）依据国家标准QCVN 01-1:2018/BYT评估处理后的若干物理化学指标。通过阐明决明和辣木不同组成如何影响其混凝行为，本研究旨在为选择基于植物的混凝剂用于可持续地表水处理提供科学依据。## 章节摘要### 天然混凝剂的合成既往研究报告指出，在蒸馏水中进行含水提取是保持这两种种子中水溶性混凝剂活性的常用方法——辣木中的为阳离子蛋白，决明中的为半乳甘露聚糖，它们分别负责各自的混凝活性（Mathur, 2016）。图1展示了从决明和辣木种子中提取混凝剂的过程，种子采集于越南平舆省新开发城区。采集的种子脱壳后，在45 °C下烘箱干燥24 h，研磨后……### SEM（扫描电子显微镜）使用SEM对制备好的混凝剂表面形貌进行了分析，如图2所示。在500倍放大倍数下，SEM结果显示两种混凝剂均为无定形结构。具体而言，决明混凝剂（图2a）表面粗糙，具有大量裂纹和脊状结构；而辣木混凝剂（图2b）则缺乏粘性。在1000倍更高放大倍数下，辣木混凝剂（图2d）的表面比决明混凝剂（图2c）更加不均匀且多孔。在……### 结论本研究将决明（CF）和辣木（MO）种子中提取的生物胶与聚合氯化铝（PAC）在天然地表水处理中的表现进行了对比研究（初始浊度46-50 NTU；表观色度2140 TCU）。表征结果表明，两种生物胶均为无定形结构且基本非多孔（BET比表面积 < 0.7 m2 g?1），主要由碳和氧组成，并含有大量羟基。它们的活性成分性质不同：一种为净负电荷……### 局限性与未来工作需注意以下局限性。Zeta电位和零电荷点各仅测定了一次（n = 1），后者估算不确定度约为±0.3个pH单位；尝试使用动态光散射进行粒径测定，但提取液超出了该技术的适用范围。每种植物仅使用一批提取物，因此未评估因种子来源和季节差异导致的批次间变异性，且水样仅采集于单一季节。### CRediT作者贡献声明**La Thi Thu Ha：** 原创初稿撰写、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。**Nguyen Thi Thanh Huong：** 原创初稿撰写、可视化、验证、软件、资源、概念构思。**Luong Trung Kien：** 数据整理、形式化分析、调查研究、方法论、审阅与编辑。**Tran Le Luu：** 审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、经费筹措、概念构思。### 利益冲突声明作者无利益需声明。本出版不存在利益冲突，且不存在可能影响研究结果的显著财务资助。### 致谢本研究由Vingroup创新基金会（VINIF）资助，项目编号为VINIF.2026.DA147。### 利益冲突声明作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。---Nguyen Thi Thanh Huong | La Thi Thu Ha | Luong Trung Kien | Tran Le Luu