在不同温度条件下，光生载流子的行为

《Physica B: Condensed Matter》：Photo-generated carriers behavior under varying temperature conditions

铜氧化物修饰透闪石作为纳米陶瓷吸附剂，有效去除水中甲基绿，吸附机制通过统计物理模型揭示为多吸附位点结合，物理吸附占主导（1.26-3.42 kJ/mol），具有高稳定性和可循环性。

　　

S.H. Kenawy|Hassan A. Rudayni|Fahd A. Nasr|Aliaa M. Badawy|Yasser F. Salama|Eder C. Lima|Glaydson S. dos Reis|Moaaz K. Seliem

埃及吉萨Dokki区El Bohouth街33号，国家研究中心，耐火材料、陶瓷和建筑材料部门

摘要

通过可控共沉淀法合成了氧化铜改性的硅灰石（CaSiO₃），并评估其作为从水介质中去除孔雀石绿（MG）的纳米陶瓷吸附剂的性能。采用传统的动力学和等温模型结合统计物理分析来阐明分子层面的吸附机制。吸附过程遵循伪一级动力学，而Liu等温线模型能最好地描述平衡数据，最大吸附容量为103.75–117.11 mg/g。统计物理建模表明吸附机制为多对接型，空间参数（n = 0.39–0.78）表明MG分子主要在吸附剂表面呈水平排列。温度升高增强了活性位点密度和饱和容量，证实了吸附过程是吸热的。低吸附能量（1.26–3.42 kJ/mol）表明物理吸附占主导，主要受静电和范德华力作用驱动。热力学参数证实了MG的吸附是自发的。该陶瓷吸附剂在五次吸附-解吸循环中表现出优异的稳定性和可重复使用性。

引言

快速的工业化、城市化和人口增长导致了含有重金属、药物、放射性物质和有机染料等持久性污染物的工业废水的排放[1]、[2]、[3]。特别值得关注的是像孔雀石绿（MG）这样的阳离子染料，它们具有很强的抗降解性，即使在低浓度下也对人类健康和水生生态系统构成严重威胁[2]。孔雀石绿常用于给纸张、皮革、丝绸和羊毛等材料着色[3]。由于其危害性（包括可能导致肿瘤、突变和致畸性[1]、[2]），人们对MG染料给予了极大关注。为了从水中去除染料，人们采用了多种方法，包括混凝、沉淀、吸附和生物处理[1]。研究发现，吸附是一种简单、经济且高效的去除MG染料的方法[3]、[4]、[5]。 纳米颗粒（NPs，尺寸在1到100纳米之间）从水介质中提取污染物的能力是其最重要的特性之一[6]。特别是，金属氧化物纳米颗粒独特的物理和化学性质使它们在环境研究和化学领域非常有用[7]。这些纳米材料的高密度和比表面积带来了优异的结果和新的应用，尤其是在吸附剂方面[8]、[9]。氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）的小尺寸、高表面积、原材料的天然丰富性、低生产成本以及无毒性质证明了它们在水净化中的有效性[10]。先前的研究报道了CuO NPs被用于改性某些材料，以用于捕获水污染物。例如，合成了不同的纳米复合材料，如壳聚糖-CuO[11]、ZnO-CuO[12]、膜模板CuO-ZnO[13]、聚（甲基丙烯酸甲酯）功能化氧化石墨烯/CuO[14]和PANI-CuO[15]，用于水净化。

合成W/CuO NPs吸附剂及其关键特性

基于先前报道的湿法沉淀-煅烧工艺[22]，使用碳酸钙（CaCO₃（El-Gomhouria公司，开罗，埃及）、无定形硅胶（SiO₂）和碳酸铜（CuCO₃（Fluka Chemie GmbH，瑞士）以及硝酸（HNO₃，LOBA Chemie，孟买，印度）合成了掺杂CuO的硅灰石（W/CuO）。简而言之，CaCO₃与适量的HNO₃反应生成Ca(NO₃)₂，然后在温和搅拌下溶解于蒸馏水中，随后加入SiO₂凝胶。

MG吸附动力学

利用q_t与t的关系（图1）来计算与PFO和PSO计算相关的非线性参数。PFO和PSO动力学模型所考虑的参数列在表1中。计算结果表明，PFO模型（R² = 0.9887）比PSO模型（R² = 0.9638）更适合描述W/CuO NPs上的MG吸附过程（表1）。这一较高的R²值表明实验数据与PFO模型有很好的相关性。

MG扩散机制

结论

本研究使用掺杂CuO纳米颗粒的CaSiO₃作为纳米陶瓷吸附剂，用于去除溶液中的孔雀石绿（MG）染料。通过多种动力学和经典平衡模型评估了MG与W/CuO NPs吸附剂之间的相互作用。此外，还利用双层统计物理模型研究了MG分子的几何结构及其在W/CuO NPs表面的对接和取向。PFO动力学和Liu等温线模型均显示了良好的拟合效果，最大吸附容量有所变化

CRediT作者贡献声明

Eder C. Lima：撰写 – 审稿与编辑。 Glaydson S. dos Reis：撰写 – 审稿与编辑。 Moaaz K. Seliem：撰写 – 初稿撰写，监督，实验研究。 Hassan A. Rudayni：撰写 – 初稿撰写，验证，资源提供，项目管理，概念构思。 Fahd A. Nasr：撰写 – 初稿撰写，验证，资源提供，项目管理，概念构思。 Aliaa M. Badawy：方法学研究，数据分析。 Yasser Salama：撰写 – 初稿撰写，验证，资源提供，项目协调。

数据声明

本研究生成或分析的所有实验数据，包括吸附动力学、等温线、热力学计算和统计物理建模结果，均包含在文章中。如需更多数据，可向通讯作者提出合理请求。

创新性声明

本研究的创新之处在于：（i）使用掺杂CuO的硅灰石作为MG的纳米陶瓷吸附剂；（ii）通过双层统计物理模型计算微观参数，以描述MG在W/CuO陶瓷表面的对接和取向，包括每个位点的MG分子数量（n）、陶瓷位点密度（N_M）、饱和吸附容量（Q_sat）和吸附能量（ΔE）。总体而言，应用先进的统计物理建模有助于理解MG与W/CuO陶瓷在分子层面的相互作用机制。

部分摘录

W/CuO NPs吸附剂的合成及其关键特性

根据先前报道的湿法沉淀-煅烧工艺[22]，使用碳酸钙（CaCO₃（El-Gomhouria公司，开罗，埃及）、无定形硅胶（SiO₂）和碳酸铜（CuCO₃（Fluka Chemie GmbH，瑞士）以及硝酸（HNO₃（LOBA Chemie，孟买，印度）合成了掺杂CuO的硅灰石（W/CuO）。简要来说，CaCO₃与适量的HNO₃反应生成Ca(NO₃)₂，然后将其溶解在蒸馏水中并加入SiO₂凝胶。

MG吸附动力学

利用q_t与t的关系（图1）来计算与PFO和PSO计算相关的参数。PFO和PSO动力学模型所考虑的参数列在表1中。计算结果表明，PFO模型（R² = 0.9887）比PSO模型（R² = 0.9638）更适合描述W/CuO NPs上的MG吸附过程（表1）。这一较高的R²值表明实验数据与PFO模型有很好的相关性。

结论

本研究利用掺杂CuO纳米颗粒的CaSiO₃制备了纳米陶瓷吸附剂，用于去除溶液中的孔雀石绿（MG）染料。通过多种动力学和经典平衡模型评估了MG与W/CuO NPs吸附剂之间的相互作用。此外，还通过双层统计物理模型研究了MG分子的几何结构及其与W/CuO NPs界面的相互作用。

CRediT作者贡献声明

Eder C. Lima：撰写 – 审稿与编辑。 Glaydson S. dos Reis：撰写 – 审稿与编辑。 Moaaz K. Seliem：撰写 – 初稿撰写，监督，实验研究。 Hassan A. Rudayni：撰写 – 初稿撰写，验证，资源提供，项目管理，概念构思。 Fahd A. Nasr：撰写 – 初稿撰写，验证，资源提供，项目管理，概念构思。 Aliaa M. Badawy：方法学研究，数据分析。 Yasser Salama：撰写 – 初稿撰写，验证，资源提供，项目协调。

数据声明

本研究生成或分析的所有实验数据，包括吸附动力学、等温线、热力学计算和统计物理建模结果，均包含在文章中。如需更多数据，可向通讯作者提出合理请求。

创新性声明

本研究的创新之处在于将传统的实验吸附分析与先进的统计物理模型相结合，以区分多对接相互作用，从而在分子层面解释活性位点密度、染料取向、吸附容量和相互作用能量。这种热力学-统计相结合的方法此前尚未应用于掺杂CuO的硅灰石吸附剂，为吸附过程提供了更深入的物理基础理解。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究系（授权号IMSIU-DDRSP2602）的支持和资助。