综述：关于使用纳米吸附剂从废水中吸附去除染料污染物的综述

《Particuology》：A review on adsorptive removal of dye pollutants from wastewater using nanoadsorbents

工业废水中的合成染料污染严重，纳米吸附剂因其高表面积（10-1000 m2/g）、可调孔径和功能化表面成为高效去除方法，去除效率超90%。吸附机制包括静电作用、氢键、π-π堆积和表面络合，受pH、温度、初始浓度和吸附剂用量影响。再生研究表明纳米吸附剂循环使用5-10次仍保持75-90%效率，但规模化、长期稳定性和环境风险等问题亟待解决。

　　

阿尤希·贾恩（Ayushi Jain）| 施韦塔·瓦德瓦万（Shweta Wadhawan）| 莫妮卡·夏尔玛（Monika Sharma）| 普里蒂·梅塔（Preeti Mehta）| 苏林德·库马尔·梅塔（Surinder Kumar Mehta）

应用科学系，昌迪加尔工程学院-CGC，兰德兰，莫哈利，旁遮普邦，140307，印度

摘要

工业废水是持久性和不可生物降解的合成染料的主要来源，这些染料对健康和环境构成了严重威胁。在各种处理方法中，吸附法作为一种简单、经济高效（>90%）的染料去除方法而脱颖而出。在这方面，纳米吸附剂由于具有较大的表面积（10-1000 m²g^-1）、可调的孔隙率以及功能化的表面，其吸附能力比传统吸附剂高出2-10倍，因此受到了广泛关注。已经探索了多种纳米吸附剂，包括金属和金属氧化物纳米颗粒（如MgO、TiO₂、Fe₃O₄、ZnO等）、基于碳的纳米结构（如氧化石墨烯、碳纳米管等），以及新兴的纳米吸附剂（如MXenes、g-C₃N₄），用于高效去除阳离子和阴离子染料。染料吸附过程受静电相互作用、氢键作用、π-π堆积和表面配位等机制的调控，这些机制受pH值、温度、初始染料浓度和吸附剂用量的显著影响。重要的是，再生研究表明，许多纳米吸附剂在多次循环后仍能保持75-90%的初始效率，这凸显了它们的可重复使用性和经济潜力。本文综述了基于纳米吸附剂的染料去除技术的最新进展，重点介绍了吸附机制、工艺参数和再生性能，并探讨了与可扩展性、长期稳定性和潜在环境风险相关的问题，这些问题对于实现可持续的废水处理至关重要。

引言

清洁的饮用水是所有生物生存、健康和福祉的基本需求，也是生态系统的重要条件。然而，全球人口增长、工业化以及未经处理的废水排放严重影响了清洁安全饮用水的供应（Joseph等人，2019年）。在污染水体的各种污染物中，合成染料是最有害和最持久的之一。染料是广泛用于纺织、造纸、塑料、地毯、化妆品、食品和皮革等行业中的有机化合物（图1）（Rajeshkannan等人，2011年）。据估计，工业上使用了超过10,000种不同的染料和颜料，全球每年生产的合成染料超过7 × 10⁵吨（Firmansyah等人，2025年）。在染料生产和纺织品加工过程中，有15-20%的染料作为废物排放，导致水生生态系统受到严重污染（Sudarshan等人，2023年）。

染料的存在会减少阳光的穿透，抑制光合作用，并扰乱水生生物多样性。此外，染料的毒性、致突变性和致癌性使得受污染的水不适合饮用、洗涤和农业用途（Zhou等人，2014年）。基本染料可引起皮肤刺激、过敏性皮炎、基因突变、心跳加快、呕吐、发绀和组织损伤，而三苯基染料则会对肝脏、肾脏、肠道和促性腺细胞造成损害（Firmansyah等人，2025年）。此外，染料引起的浑浊还会降低有机污染物生物降解所需的细菌活性，从而加剧水污染（表1）。

为应对这些挑战，已经开发了多种物理、化学和生物方法来去除染料，包括混凝-絮凝、高级氧化工艺、膜过滤、降解、离子交换、生物降解、沉淀和吸附（图2）（Chopra等人，2022年；Kumar等人，2023年；Sriram等人，2024年；Hegde等人，2023年）。

其中，吸附法因其操作简单、效率高且经济实惠而受到广泛关注（Yao等人，2009年；Dutta等人，2021年）。传统的吸附剂如活性炭和粘土矿物已被大量使用，但其性能受到低回收率、选择性差和产生大量污泥的限制（Bangash等人，2005年；Mohammad等人，2010年）。因此，当前亟需转向高效、经济且可回收的替代材料。纳米吸附剂凭借其独特的物理化学性质（如极高的表面积、可调的孔隙率、表面功能化和增强的反应性）成为出色的替代品（Kaur等人，2024年；Kumar等人，2025年）。这些性质使纳米吸附剂能够在痕量浓度下靶向特定的染料分子，具有更快的吸附动力学和更高的吸附能力。此外，它们易于回收、可回收且产生的污泥少，使其成为满足可持续水处理技术需求的理想选择。

已有许多关于使用纳米吸附剂去除染料的综述文章（Dutta等人，2021年；Ahmaruzzaman等人，2025年；Shakoor等人，2025年），但仍存在一些研究空白。例如，Dutta等人（2021年）详细评估了包括碳基和无机材料及生物聚合物在内的多种吸附剂的吸附能力和操作参数，但再生、可重复使用性和可扩展性方面的内容仅略有涉及。Ahmaruzzaman等人（2025年）对碳基和金属氧化物纳米材料在染料去除中的应用进行了全面综述，然而忽略了MXenes和g-C₃N₄等新兴纳米吸附剂。同样，Shakoor等人（2025年）讨论了各种纳米吸附剂在染料去除中的贡献，但对影响吸附性能的关键因素和材料可重复使用性的分析不够深入。

尽管有关染料吸附的文献很多，但纳米吸附剂的性质（表面化学和形态）与其吸附效率之间的全面关联仍需进一步研究。环境参数（如pH值和温度）对吸附机制的影响尚未得到系统评估。此外，使用过的纳米吸附剂的长期环境命运、潜在毒性和处置问题也尚未得到充分关注，这对大规模应用是一个重要问题（Wadhawan等人，2025年）。

相比之下，本文全面且批判性地评估了经典和新兴纳米吸附剂（包括混合纳米复合材料、基于生物质的吸附剂、MXenes和g-C₃N₄

章节片段

染料的分类与毒性

通常，着色剂分为有机和无机两大类。大多数着色剂属于无机来源，但也有一些属于有机类别。颜料主要是无机的着色化合物，如氧化铅、钴蓝、镉黄等，而染料则是有机着色剂的主要成分。染料在基底中以分子形式分散，使其可溶于水，而颜料几乎不溶于水

纳米吸附剂的合成

多种纳米材料被用作纳米吸附剂，用于有效去除废水中的染料。常用的纳米级物质包括金属和金属氧化物、基于碳的纳米材料以及基于生物质的纳米吸附剂。纳米吸附剂的制备方式对其吸附性能起着决定性作用。

有多种物理、化学和生物方法可用于纳米吸附剂的合成，每种方法都有其独特之处

使用不同纳米材料的吸附研究

尽管目前有多种纳米材料可用作吸附剂，但本文重点讨论了金属和金属氧化物纳米颗粒、基于碳的纳米材料、纳米复合材料和基于生物质的纳米吸附剂。这些类别是研究最广泛、性能最高且应用最广泛的纳米吸附剂。选择这些纳米吸附剂的标准是它们一贯表现出的高吸附能力和对阳离子和阴离子染料的广泛适用性

pH值的影响

溶液的pH值是染料吸附的重要参数，因为它影响吸附剂的表面电荷和染料分子的离子化状态。一般来说，在酸性或低pH值下，阴离子染料的吸附效率会提高，因为此时吸附剂表面带正电。带正电的吸附剂表面与阴离子染料分子之间的增强静电相互作用会导致吸附效率提高。

再生与可重复使用性策略

从实际应用、经济性和可持续性的角度来看，纳米吸附剂的可重复使用性和再生能力至关重要。评估纳米吸附剂的效率不应仅基于其高吸附能力或去除效率，还应考虑其可使用的循环次数。

一个好的纳米吸附剂不仅应具有高吸附能力，还应保持其结构稳定性

染料吸附的可能机制

本综述中的多项研究表明，染料在纳米吸附剂上的吸附取决于吸附剂的表面性质、染料的化学结构以及环境因素（如pH值）。常见的染料吸附机制包括静电相互作用、氢键作用、π-π相互作用和范德华相互作用。静电相互作用是由于带相反电荷的吸附剂位点与染料分子之间的吸引

吸附动力学

吸附动力学对于理解纳米吸附剂对染料的吸附速率和机制至关重要。动力学模型（如伪一级、伪二级和颗粒内扩散模型）有助于确定吸附过程是由表面相互作用、化学吸附还是扩散控制的。通过分析动力学行为，研究人员可以轻松识别速率限制步骤，确定平衡建立的速度，并评估实际吸附效果

未来展望

尽管在开发用于去除染料的纳米吸附剂方面取得了显著进展，但在实际应用中仍存在许多挑战需要解决。未来的研究应聚焦于绿色和可扩展的合成途径，以降低环境和健康风险，并降低生产成本。此外，通过表面功能化提高吸附性能、稳定性和可回收性是关键

结论

纳米技术为从废水中可持续去除染料提供了巨大潜力，因为纳米吸附剂具有可调节的孔隙率、高表面积和强反应性。金属氧化物纳米颗粒表现出高化学稳定性、强吸附能力和易于磁回收的特点，但其聚集倾向和有限的回收性限制了大规模应用。基于碳的纳米材料（如氧化石墨烯和碳纳米管）提供了高表面积和强π–π相互作用，但受高成本的限制

CRediT作者贡献声明

阿尤希·贾恩（Ayushi Jain）：撰写初稿。莫妮卡·夏尔玛（Monika Sharma）：进行正式分析。施韦塔·瓦德瓦万（Shweta Wadhawan）：提供指导。苏林德·库马尔·梅塔（Surinder Kumar Mehta）：提供指导和支持。普里蒂·梅塔（Preeti Mehta）：进行正式分析

未引用的参考文献

AgarwalS等人，2016年；Arabi和SohrabiM，2014年；Baghapour等人，2013年；BangashF和Manaf，2005年；Bhaghat等人，2013年；ChopraN，2022年；Dalvand等人，2016年；DuttaS等人，2021年；GamraZ和AhmedM，2015年；Hameed和El-KhaiaryM，2008年；JainA等人，2021年；JiangZ等人，2014年；Kadam等人，2020年；KonickiW等人，2013年；Kumar等人，2025年；KumarS等人，2013年；LiL等人，2015年；Materials，2022年；Mehta和Kaith，2021年；Meng和XingJ，2015年；Mittal，2016年；Mohammadbeigi等人，2025年；Moradi，2013年；

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

感谢科学技术部生物技术司提供的“DBT BUILDER- GGDSD学院跨学科生命科学高级研究与教育计划”的财政支持。