利用壳聚糖和MAS/CS纳米颗粒（MAS/CS-NPs）增强对废水中有机污染物的吸附效果

《Journal of Molecular Structure》：Enhanced Adsorption of Organic Pollutants from Wastewater Using Chitosan and MAS/CS Nanoparticles (MAS/CS-NPs)

纳米复合材料MAS/CS-NPs在pH 9、0.08g吸附剂用量下对Safranin-O染料去除率达86.89%，表现出高效、快速吸附特性，动力学符合伪二阶模型，等温线模型为Temkin和Freundlich，热力学参数证实过程自发且放热，循环三次后仍保持86%再生效率。

　　

Amany N. Georgy|Mohamed A. Omar|Maysa R. Mostafa|Gehad G. Mohamed|Omar A. Fouad

开罗大学理学院化学系，吉萨12613，埃及

摘要

本研究探讨了镁铝酸盐尖晶石/壳聚糖纳米颗粒（MAS/CS-NPs）作为高效吸附剂从水溶液中去除藏红花素-O（SO）染料的有效性。通过XRD、XPS、FT-IR、TEM、AFM和BET表面积分析对合成的纳米复合材料进行了全面表征，以验证其表面特性和结构完整性。根据批次吸附实验，在pH 9条件下，当吸附剂用量为0.08克时，去除效果最佳，达到平衡所需时间为40分钟。令人惊讶的是，当应用于实际废水样品时，MAS/CS-NPs表现出86.89%的显著去除效率。动力学研究表明吸附过程遵循伪二级模型（R2 = 0.9985），表明其为化学吸附-稳定机制；而平衡数据则更符合Temkin和Freundlich等温线模型（R2 = 0.9493）。热力学参数（ΔH、ΔG°、ΔS°）证实SO染料的吸附是自发且放热的。此外，经过三次连续循环后，MAS/CS-NPs仍保持86%的再生效率，显示出优异的可重复使用性。这些结果证明了MAS/CS-NPs在尖端水处理应用中的前景。

引言

染料可分为阴离子型、阳离子型和非离子型三类。阴离子型染料（也称为分散染料）包括酸性染料、直接染料和活性染料，而阳离子型染料属于碱性染料。阳离子染料带有正电荷，溶解性良好；阴离子染料带有负电荷，在结构、离子取代基和水溶性方面与阳离子染料不同。纺织工业使用多种染料，如偶氮染料、三苯甲烷染料、苝类染料和靛蓝类染料[1]。这些染料在水环境中会抑制阳光穿透，从而降低光合作用并破坏生态平衡。此外，许多合成染料会降解为致癌性和高毒性的衍生物，对水生生物和人类健康构成严重威胁[2]。其中，藏红花素-O（SO，C.I. 50240，摩尔质量350.85 g/mol）是一种常用的阳离子型菲嗪类染料，广泛应用于食品包装、生物染色和纺织品着色[1]。尽管具有实用性，但SO是一种有害污染物，具有高环境持久性和诱发人类细胞及细菌核酸突变的潜力[3,4]。人类接触含SO的水质可能引起皮肤和眼睛刺激以及呼吸道炎症。由于其稳定的杂环结构，SO对传统生物处理方法具有抗性，因此被选为本次研究的模型污染物[5]。 目前已有多种方法用于减少废水排放和应对污染物带来的风险，包括膜过滤[6]、混凝/絮凝、氧化和生物处理等[7,8]。然而，由于吸附剂具有较大的表面积、灵活性、操作简便性以及与污染物分子的特异性相互作用，吸附技术仍然是最有效且可行的方法[9,10]。最近，壳聚糖（CS）作为一种无毒且可生物降解的生物聚合物，因其丰富的氨基和羟基功能团而受到广泛关注[11,12]；镁铝酸盐尖晶石（MAS，Mg?-χAl?O?:0.0011Tb3?:χNi2?:χ = 0.1 g）也因其优异的热稳定性和结构稳定性而被用于水质修复[13,14]。 尽管MAS具有坚固的晶格和较大的表面积，但其功能性基团往往不足以快速吸附染料[14]。本研究的科学依据在于这两种成分的协同作用[15]。虽然壳聚糖具有高反应性，但其机械强度较低且在酸性介质中溶解度较高[16,17]。通过将壳聚糖接枝到掺镍的MAS纳米颗粒上，我们开发了一种新型MAS/CS纳米复合材料。这种混合材料利用无机核心稳定聚合物外壳，从而提高了其在恶劣环境中的耐久性[18]。MAS/CS系统的主要优势包括优异的吸附动力学和通过简单的溶胶-凝胶合成工艺实现的成本效益。然而，仍存在一些挑战，如尖晶石煅烧所需的高能量以及多次再生循环后效率逐渐下降的问题[19,20]。本研究旨在通过探讨不同重量比（1:9、3:7和5:5）和MAS相结构变化对SO去除效果的影响，填补现有文献的空白。所合成材料通过XRD、XPS、TEM、FTIR、BET和Zeta电位等手段进行了全面表征，以评估其性能和环境可持续性。

材料

初始原料——镁和铝由开罗大学理学院提供。使用的化学试剂包括硝酸镁（Mg(NO?)?·6H?O；Merck）、氯化铝（AlCl?·6H?O；97%）、柠檬酸一水合物（C?H?O?·H?O；98%）、盐酸（HCl；37%）、乙二醇（99%）、氨水（33%；Sigma–Aldrich Chemical Co.）、硝酸镍（Ni(NO?)?·6H?O；纯度99%）、氧化铽（Tb?O?；99%；Sigma–Aldrich Chemical）等。

X射线衍射分析

利用X射线衍射技术分析了合成的MAS和MAS/CS-NPs复合材料的晶体结构及相纯度，结果如图3所示。材料在2θ范围10°至80°内进行扫描。纯MAS相的XRD图谱在2θ值18.96°、31.21°、36.79°、44.74°、55.57°、59.26°、65.14°、74.0°和77.22°处显示出清晰的衍射峰，对应的晶面分别为（111）、（220）、（311）、（400）、（422）、（511）、（440）、（620）和（533）。

比较研究

表7展示了在不同吸附剂用量、pH值、接触时间、初始浓度条件下的SO吸附去除效果对比。结果表明，MAS/CS-NPs在吸附剂用量为0.08克时，40分钟内即可实现约86.89%的去除率。相比之下，其他研究需要较长时间（近1小时）或更高的吸附剂用量。

结论

本研究成功合成了镁铝酸盐尖晶石/壳聚糖纳米颗粒（MAS/CS-NPs），并证实其作为去除藏红花素-O（SO）染料的吸附剂具有高效性。主要结论如下： - **结构完整性**：通过XRD、XPS、TEM和AFM的详细表征，确认纳米复合材料制备成功。BET/BJH分析显示其具有3.38纳米的主要孔径；XRD结果进一步验证了其结构特性。

数据可用性和材料

所有作者确认本文支持的研究数据均包含在文章中。

作者贡献

1-Amany N. Georgy**：概念构思、方法设计、软件开发、实验研究、初稿撰写及可视化处理。 2-Mohamed A. Omar**：初稿审阅、监督工作。 3-Maysa R. Mostafa**：初稿审阅、可视化处理及监督工作。 4-Gehad G. Mohamed**：概念构思、撰写、审阅与编辑、项目管理及监督工作。 5-Omar A. Fouad**：实验研究、方法设计、可视化处理、初稿撰写及监督工作。

CRediT作者贡献声明

Amany N. Georgy**：初稿撰写、可视化处理、软件开发、方法设计、实验研究及概念构思。 Mohamed A. Omar**：初稿审阅与编辑、监督工作、概念构思。 Maysa R. Mostafa**：初稿审阅与编辑、可视化处理及监督工作。 Gehad G. Mohamed**：初稿撰写、审阅与编辑、监督工作、项目管理及概念构思。 Omar A. Fouad**：初稿撰写、可视化处理、监督工作、方法设计及实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

感谢开罗大学理学院化学系和中央冶金研究与发展研究所对本研究的支持。