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高效水凝胶吸附剂对阴离子阳离子染料的同步吸附与可持续性研究，采用自由基共聚法将奇异种子与丙烯酰氧基乙基三甲基铵氯盐、钠对苯基甲酸磺酸盐复合制备Psy-cl-poly(SSS-co-AETA)水凝胶，系统考察pH、时间、温度及染料浓度对吸附性能的影响，实现结晶紫96.74%和靛蓝98.82%的高效去除，验证其通过静电作用、氢键及π-π堆积协同作用机制，并证实九次循环后仍保持良好吸附性能。
Sunil Kumar Kriti | Kiran Kumar
印度喜马偕尔邦希姆拉市Summerhill，喜马偕尔邦大学化学系，邮编171005
摘要
采用自由基共聚方法制备了基于车前草和[2-(丙烯酰氧)乙基]三甲基铵氯化物（AETA）以及对苯乙烯磺酸钠（SSS）的水凝胶Psy-cl-poly(SSS-co-AETA），作为一种高效的单一吸附剂，可用于吸附阳离子和阴离子染料。通过系统研究接触时间、吸附剂用量、温度、pH值和初始染料浓度对水凝胶吸附阳离子和阴离子染料行为的影响，评估了其吸附性能。在pH值为9、温度为40°C、染料浓度为300 ppm的条件下，水凝胶对阳离子染料（结晶紫）的吸附效率达到96.74%；而在pH值为4、温度为40°C、染料浓度为325 ppm的条件下，对阴离子染料（靛蓝胭脂红）的吸附效率达到97.82%。Psy-cl-poly(SSS-co-AETA的零电荷点为6.33。非线性动力学和等温线分析表明，结晶紫和靛蓝胭脂红的吸附过程符合Elovich动力学模型和Langmuir等温线模型。静电相互作用、氢键作用和π-π相互作用在染料的有效去除中起着关键作用。Psy-cl-poly(SSS-co-AETA在九次循环使用后仍能保持良好的吸附性能，显示出其去除受污染水中阳离子和阴离子染料的潜力。因此，该水凝胶在水处理方面具有经济性、可持续性和环保性。
引言
有机染料广泛应用于纺织和织物制造、皮革加工、纸张生产、塑料和聚合物制造、橡胶制品、化妆品以及印刷技术等多个领域[1]。迄今为止，已有超过10万种不同的染料被用于纺织品和织物的着色，其中大量工业废水直接排放到水中[2]。染料中的偶氮基、靛蓝结构和芳香基团由于其高毒性和难降解性，对环境污染造成了严重威胁[3]。此外，这些化合物还具有致癌和致突变性，这归因于其中含有萘、联苯胺等有害衍生物[4,5]。为了去除废水中的染料污染物，人们采用了多种处理方法[6]。在这些方法中，吸附法因其高效的吸附能力、成本效益以及能够有效去除难生物降解的污染物而备受重视[7]。
靛蓝胭脂红（IC）是一种广泛使用的阴离子染料，具有化学稳定性强、抗外界干扰能力强的特点，应用于纺织品染色（如牛仔布）和食品（如软饮料）中[8]。据报道，纺织行业每年向水体中排放约1万至4万吨的IC[9]。长期或过量接触IC可能导致呼吸道、皮肤、消化道和眼睛的刺激，甚至引发眼部组织损伤，在严重情况下可能导致肿瘤和癌症等病理状况[10],[11],[12]。相比之下，结晶紫（CV）是一种阳离子三芳基甲烷染料，主要用于纸张着色、印刷工艺、笔和喷墨墨水[13,14]。然而，无论是通过吸入、摄入还是皮肤接触，接触CV都与严重的健康风险相关，包括膀胱癌、肾脏、肝脏和肺部肿瘤[15]。因此，在将这些染料排放到环境中之前，必须将其从水和废水中清除。
近年来，人们开发了多种用于处理含染料废水的吸附剂，包括纳米材料[16]、金属有机框架[17,18]、有机聚合物[19]以及水凝胶[20],[21],[22]。此外，新型吸附材料的研究和开发仍是当前活跃且不断发展的领域。在水凝胶中，由于其丰富的官能团、高孔隙结构、易于合成以及分离方便等优点，吸引了大量研究兴趣[23]。水凝胶作为吸附剂用于水净化过程，能够吸收水和生物液体，同时保持结构完整性而不会发生降解[24]。此外，其可重复使用性、经济可行性、广泛可用性和操作简便性进一步增强了其在处理含染料废水中的应用潜力。
具有酸性和碱性官能团的智能pH响应型水凝胶能够适应pH值的变化[25]。pH响应型水凝胶在医学、制药、农业、食品工业和控释药物输送等领域得到了广泛应用[26]。然而，它们在去除有毒染料方面的应用尚未得到充分探索。同一聚合物链中带相反电荷的官能团（即阳离子和阴离子官能团）之间的静电相互作用有助于实现聚合物基质的电荷平衡。由于pH响应型水凝胶本身呈电中性，这限制了它们与目标离子污染物的有效静电相互作用。
多年来，许多多糖被用于制备用于废水处理的水凝胶[27]。车前草是一种富含羟基的天然生物聚合物，由木糖和阿拉伯糖组成[27]。车前草具有生物降解性、无毒、低成本、环保和易于获取等优点。然而，其在废水处理中的应用仍较为有限。目前已有多种技术用于提高车前草的吸附性能，如接枝、交联和纳米材料的掺入。不过，现有的改性车前草材料大多只能有效去除一种类型的染料（阳离子或阴离子染料），无法同时去除两种。因此，需要进一步研究车前草基材料的潜在应用价值。
基于上述讨论，本文采用[2-(丙烯酰氧)乙基]三甲基铵氯化物（AETA）和对苯乙烯磺酸钠（SSS）作为功能单体，通过自由基聚合方法制备了一种水凝胶。该水凝胶对水介质中的阳离子染料（结晶紫）和阴离子染料（靛蓝胭脂红）均表现出pH响应性。这种方法为废水中的染料去除提供了一种简单、可扩展且经济可行的途径。通过系统研究各种参数，优化了Psy-cl-poly(SSS-co-AETA的吸附性能，并对其可重复使用性进行了评估。此外，还进行了动力学、等温线和热力学研究以进一步验证该过程的可行性及吸附剂与吸附物之间的相互作用。
所用材料
车前草购自Sidhpur Sat Isabghol工厂。[2-(丙烯酰氧)乙基]三甲基铵氯化物（AETA，80 wt%溶于H2O，Sigma Aldrich）、对苯乙烯磺酸钠（SSS，>93%，TCI）、硫酸钾（KPS）、N,N′-甲基丙烯酰胺（N,N’-MBA）和腐殖酸均购自Himedia。孔雀石绿（MG）、刚果红（CR）、靛蓝胭脂红（IC）、亚甲蓝（MB）和甲基橙（MO）也购自Himedia。实验中使用的所有材料均为高纯度产品
Psy-cl-poly(SSS-co-AETA的合成机理
[2-(丙烯酰氧)乙基]三甲基铵氯化物（AETA）和对苯乙烯磺酸钠（SSS）通过自由基聚合反应与车前草共聚，生成Psy-cl-poly(SSS-co-AETA（方案1）。硫酸钾（KPS）在65°C下热分解产生硫酸根自由基，这些自由基从车前草的羟基中夺取氢原子，在车前草主链上形成活性自由基位点。N,N’-甲基丙烯酰胺（N,N’-MBA）被引入到聚合反应中
结论
总结而言，通过自由基聚合方法制备的环保型水凝胶吸附剂（Psy-cl-poly(SSS-co-AETA）在去除水介质中的结晶紫（CV）和靛蓝胭脂红（IC）方面表现出优异的吸附效率。通过FTIR、SEM、XRD、EDS和零电荷分析验证了其吸附性能。批量吸附实验表明，在pH值为9.0的条件下，105分钟内CV的去除效率达到96.74%，靛蓝胭脂红的去除效率达到97.82%
作者贡献声明
Kriti：撰写初稿、数据分析、研究工作；
Sunil Kumar：资源提供、数据可视化；
Kiran Kumar：监督指导、概念构思、验证、审稿与编辑。
CRediT作者贡献声明
Sunil Kumar Kriti：数据可视化、软件开发、资源协调。
Kiran Kumar：撰写与审稿、数据可视化、验证、项目监督、资源管理、研究工作、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
