利用沸石/UiO-66复合材料高效去除SYSPERSE Yellow L4G纺织染料：优化过程、作用机理及材料重复使用性研究

《Journal of the Indian Chemical Society》：Highly Efficient Removal of SYSPERSE Yellow L4G Textile Dye Using a Zeolite/UiO-66 Composite: Optimization, Mechanism, and Reusability

本研究成功制备了Zeolite/UiO-66复合材料，通过响应面法优化吸附条件（染料浓度49.10 mg/L、吸附剂1.63 g/L、pH 4.66、温度25℃），实现SYSPERSE Yellow L4G 200%染料99.89%的高效去除。Langmuir等温模型和伪二级动力学模型揭示其吸附机制，热力学分析表明反应自发且放热，重复使用仍保持70%以上效率，验证了该复合材料在纺织废水处理中的可行性。

　　

Jing Li|Yufeng Xin

三明大学化学学院，中国福建省三明市365004

摘要：

合成纺织染料排放到水体中会对环境和健康造成严重威胁，这主要归因于它们极高的稳定性和较差的降解性。在本研究中，合成了一种沸石/UiO-66复合材料，以增强对SYSPERSE Yellow L4G 200%的去除效果，这是一种广泛使用的纺织染料。通过结构分析和形态分析（FTIR、XRD、FESEM）确认UiO-66成功生长在沸石表面，并形成了多孔框架。利用响应面方法（RSM）对工艺进行了优化，确定了最佳操作条件：染料浓度为49.10 mg/L、吸附剂用量为1.63 g/L、接触时间为40.56分钟、pH值为4.66以及温度为25°C，从而实现了99.89%的最大去除效率。等温线分析表明Langmuir模型最能准确描述吸附行为，其最大吸附容量（q_m）为53.76 mg/g，这反映了在均匀活性位点上的单层吸附。动力学建模显示伪二级模型最能描述吸附行为，表明化学吸附是主要机制。热力学分析表明吸附反应是自发的且放热的，这从标准吉布斯自由能和焓变化的负值中可以看出。该吸附剂在重复使用过程中仍保持高效，经过多次循环后仍能保留超过70%的效率。这些结果表明，沸石/UiO-66复合材料是一种高效且可重复使用的吸附剂，是处理含有Yellow L4G染料的纺织废水的有希望的候选材料。

引言

二十一世纪，清洁饮用水的有限可用性已成为全球性的关键问题，这主要是由于人口增长和工业扩张，以及未经处理的废水排放到河流和地表水体中，导致水质严重恶化。即使是在低浓度下，这些污染物也会对人类健康和水生生态系统构成重大风险，引起皮肤和眼睛疾病以及更广泛的环境问题。这种压力凸显了迫切需要有效的废水处理策略来去除持久性污染物并保护水资源1, 2。

在各种工业污染物中，合成染料被认为是水污染的主要来源，因为它们具有化学稳定性、复杂的结构以及低生物降解性3, 4, 5。纺织、皮革、造纸和制药等行业每年消耗数十万吨合成染料，其中很大一部分由于未能完全附着在纤维上而进入废水6, 7, 8。此外，即使在低浓度下，染料也会对水生环境产生不良影响，因为它们会减少光线穿透、干扰光合作用，并进而降低水体中的溶解氧水平9, 10。SYSPERSE Yellow L4G 200%（商业名称为Disperse Yellow 211）是一种常用的聚酯纤维染色剂。这种染料的颜色指数为12755，其分子结构基于芳香环和含氧官能团。这些结构特性使其能够积极参与吸附机制，如π-π相互作用、氢键作用和与吸附剂表面的静电相互作用。由于其高化学稳定性和低生物降解性，Disperse Yellow 211在水生系统中具有高度持久性，经常出现在纺织废水中，使其成为吸附研究中的重要模型污染物。

这类染料的积累会增加化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD），并引入有毒物质到水生系统中，对水生生物和人类健康构成严重威胁11。因此，开发高效和可持续的技术来去除工业废水中的分散染料（如SYSPERSE Yellow L4G 200%）已成为环境修复的关键研究重点。

合成染料的复杂芳香结构使其难以自然降解，从而在生态系统中积累。当它们分解时，可能会产生有害的芳香胺，威胁环境质量和公共健康。已经开发了多种策略来去除工业废水中的染料污染物，通常分为生物方法、化学方法和物理方法12。虽然生物处理依赖于微生物，化学方法涉及反应剂，但两者都常常面临高运营成本、产生二次废物以及对环境条件敏感的局限性。一些物理技术，包括混凝/絮凝（13）、膜过滤（14）、离子交换（15）和辐照（16），也可能受到高能耗、形成浓污泥或对特定染料类型效果有限的限制。在这些方法中，吸附因其简单性、成本效益、适用于多种染料以及低能耗而成为一种非常有吸引力和多功能的方法，特别适合处理废水中的持久性工业色素17。

沸石是一种高度通用的铝硅酸盐材料，其特征是由相互连接的SiO₄和AlO₄四面体组成的三维框架，在原子尺度上形成均匀的通道和空腔。它们独特的多孔结构、带负电的框架和高表面积使其特别适合吸附各种阳离子污染物，包括重金属、铵离子和阳离子染料。天然沸石通常来源于火山，以结晶形式存在于火成岩、变质岩和沉积岩中，而合成沸石可以通过工程化调整孔径、Si/Al比例和表面性质以适应特定应用。这些特性不仅赋予了它们高的吸附能力和离子交换能力，还实现了选择性吸附和催化活性。由于这些优势，沸石已被广泛用于水修复、气体净化和催化18, 19, 20。此外，通过使用金属有机框架（MOFs）对沸石进行表面改性可以进一步提高其性能，提供额外的活性位点和可调的孔隙度，从而提高从水溶液中去除持久性工业污染物的效率21, 22。

UiO-66是最广泛研究的锆基金属-有机框架之一，由Zr₆O₄(OH)₄簇与1,4-苯二甲酸酯连接器配位形成高度结晶和微孔网络。由于其出色的化学稳定性、大表面积以及抗热和水解降解的能力，UiO-66已成为吸附、催化和分离过程的关键材料。稳定的Zr₆簇的存在提供了均匀分布的活性位点，进一步增强了其在污染物去除应用中的性能23, 24。

尽管沸石-MOF杂化材料已被广泛用于染料去除，但它们在工业分散染料中的应用仍然很大程度上未得到探索。在这项工作中，我们首次报道了使用沸石-MOF吸附剂从纺织废水中去除SYSPERSE Yellow L4G 200%的情况，展示了高效性和针对这种工业染料的特定机制见解。

在本研究中，首次将基于锆的UiO-66修饰到沸石上，并将其作为新型吸附剂用于从水溶液中去除SYSPERSE Yellow L4G 200%（方案1）。通过响应面方法（RSM）系统地优化了吸附过程，以评估影响染料去除效率的因素。此外，还详细研究了吸附等温线、动力学和热力学行为，以阐明染料吸附的机制。最后，评估了吸附剂的重复使用性及其在处理实际工业废水中的性能，证明了这种创新的沸石/UiO-66复合材料在高效去除颜色方面的实际应用性和可持续性。

材料

材料

本研究中使用的起始化学品包括四氯化锆（ZrCl₄，Sigma-Aldrich，美国）、天然沸石（Sigma-Aldrich，美国）、盐酸（HCl，Sigma-Aldrich，美国）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，Sigma-Aldrich，美国）、对苯二甲酸（H₂BDC，Sigma-Aldrich，美国）和氢氧化钠（NaOH，Sigma-Aldrich，美国）。所有试剂均为分析级，无需进一步纯化。整个实验过程中使用去离子水。

表征

合成材料的表征

沸石和沸石/UiO-66的FTIR光谱如图1所示。天然沸石的FTIR光谱显示出与其铝硅酸盐框架相关的特征峰。3478 cm^-1处的宽吸收峰归因于羟基（O–H）的伸缩振动，表明存在结构羟基和吸附的水分子。1668 cm^-1处的峰对应于水或羟基中的O–H键的弯曲振动。

总体讨论、实际意义、局限性和未来工作

本研究证明，将UiO-66与天然沸石结合可以制备出一种高效的复合吸附剂，能够从水介质中高效去除工业分散染料SYSPERSE Yellow L4G 200%。通过RSM获得的最佳操作条件实现了接近完全的去除效果，平衡和动力学分析表明，吸附过程可以通过考虑异质性的等温线模型（例如Sips和Toth）和动力学公式来很好地描述

结论

在这项研究中，成功合成了一种新型的沸石/UiO-66复合材料，并将其作为高效吸附剂应用于从水溶液中去除纺织染料SYSPERSE Yellow L40%。结构表征确认UiO-66成功生长在沸石表面，从而增强了表面功能性和吸附性能。响应面方法（RSM）有效地优化了操作参数，实现了最大去除效率

CRediT作者贡献声明

Jing Li：撰写——原始草稿、软件、方法论、资金获取、概念构思。Yufeng Xin：撰写——审阅与编辑、验证、调查、形式分析

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作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

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在准备本工作时，作者使用了Grammarly来改进语言、语法和手稿的可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

资助

本工作得到了三明大学教育教学改革研究项目[资助编号J2210226]和福建省社会科学基金[项目编号FJ2024X007]的支持。

利益冲突声明

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致谢

不适用。