《Next Nanotechnology》：Mechanistic study of iron oxide nanoparticles synthesized from sapota leaves extract for the removal of crystal violet from model industrial effluent: Experimental, simulation and RSM modelling
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本研究针对纺织工业废水中有毒结晶紫(CV)染料造成的严重环境与健康风险，开发了一种利用人心果叶提取物绿色合成氧化铁纳米颗粒(IONPs)的新型吸附剂。通过系统实验优化发现，在pH=10、吸附剂用量0.5g、反应时间60min、染料浓度30mg/L、温度303K的最优条件下，对CV的去除率高达93.90%，吸附容量达2.817mg/g。研究表明吸附过程符合Langmuir等温模型和准二级动力学模型，为单分子层化学吸附，且蒙特卡洛模拟证实了CV与IONPs之间的强相互作用。该环境友好型纳米吸附剂在废水处理中展现出巨大应用潜力。
随着全球人口增长和工业化进程加速，水环境污染问题日益严峻，其中纺织工业排放的染料废水尤为突出。结晶紫(Crystal Violet, CV)作为一种广泛使用的阳离子染料，因其成本低廉、水溶性好而被大量应用于纺织、皮革、造纸等行业。然而，这种染料具有致癌、致畸、致突变性，进入水体后不仅影响水生生态系统，还会通过食物链危害人类健康。传统的水处理方法对这类染料去除效果有限，因此开发高效、环保的新型处理技术迫在眉睫。
在这项发表于《Next Nanotechnology》的研究中，印度哈布利Jain工程技术学院的科研团队创新性地利用人心果叶提取物绿色合成了氧化铁纳米颗粒(IONPs)，并系统评估了其对CV染料的高效去除性能。研究人员通过多学科交叉的方法，将实验研究与计算模拟相结合，深入探讨了吸附过程的机理和优化条件。
研究采用的关键技术方法包括：人心果叶提取物介导的绿色合成法制备IONPs；紫外-可见光谱(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、光学轮廓仪和动态光散射(DLS)等多种表征技术分析纳米材料特性；批次吸附实验优化操作参数；响应面法(RSM)建立数学模型预测最优条件；蒙特卡洛(MC)模拟、吸附等温线和分数自由体积(FFV)计算等理论方法揭示吸附机理。
3.1 氧化铁纳米颗粒表征
通过UV-Vis光谱在280nm处的特征吸收峰证实了IONPs的成功合成，与人心果叶提取物相比吸收带强度明显变化。FTIR分析显示在674cm-1处出现了Fe-O键的特征峰，表明人心果叶中的多酚、黄酮类等活性成分作为还原剂和封端剂参与了纳米颗粒的形成。XRD图谱在2θ为21°、35°、40°和44°处的衍射峰对应(220)、(101)、(110)和(400)晶面，表明产物为结晶良好的IONPs，平均晶粒尺寸为87.65nm。光学轮廓仪显示纳米颗粒呈均匀分布的球形结构，略有团聚现象。DLS测得的平均粒径为235nm，zeta电位为+9.8mV，表明纳米颗粒具有适中的稳定性，有利于与染料分子的相互作用。
3.2 吸附性能
系统研究了pH、初始染料浓度和溶液温度对CV去除率的影响。结果表明，在pH=10、染料浓度30mg/L、温度303K的最优条件下，去除率达到93.90%，吸附容量为2.817mg/g。随着温度从303K升高至323K，去除率逐渐降低，表明吸附为放热过程。低浓度条件下，吸附剂表面有更多活性位点可用于CV分子吸附，因此去除率较高。高pH条件有利于吸附，因在碱性环境下吸附剂表面去质子化，与带正电的CV分子产生更强静电吸引。
3.3 基于RSM的CV染料吸附优化
通过响应面法建立了%去除率与三个关键参数(pH、初始染料浓度和溶液温度)之间的数学模型，回归方程具有高确定系数(R2=99.98)。ANOVA分析显示所有模型项均显著(p<0.001)，证实了模型的可靠性。优化结果确定最佳条件为pH=10、染料浓度30mg/L、温度303K，预测去除率为93.66%，与实验结果高度一致。
3.4 计算研究
蒙特卡洛模拟显示CV染料以近乎平行的取向吸附在IONPs表面，吸附能为-1.260×105kcal/mol，表明吸附过程在热力学上有利。分数自由体积(FFV)分析显示IONPs具有20.26%的自由体积，为CV分子提供了充足的吸附空间。吸附等温线和负载量计算进一步证实了IONPs对CV的高效去除能力，即使在低吸附剂用量下也能实现有效去除。
再生实验表明，经过4次循环使用后，IONPs仍能保持80%以上的CV去除率，显示出良好的稳定性和可重复使用性。与以往报道的多种铁基纳米吸附剂相比，本研究开发的IONPs在CV去除效率上具有明显优势(93.90%)。
研究结论表明，利用人心果叶提取物绿色合成的氧化铁纳米颗粒是一种高效、环保的吸附剂，能够有效去除废水中的结晶紫染料。吸附过程符合Langmuir等温模型和准二级动力学，为单分子层化学吸附。蒙特卡洛模拟和理论计算证实了CV与IONPs之间的强相互作用机制。该研究不仅为CV染料的高效去除提供了新型纳米材料，也为绿色合成纳米材料在环境修复中的应用提供了重要参考。未来研究可进一步拓展该材料对其他污染物的去除性能，并优化其在实际废水处理中的操作条件。
