《Sustainable Chemistry One World》：Sustainable Removal of Congo red (CR) dye from the Aqueous Solutions by Coagulation-Flocculation Process using Plant-Based Materials
编辑推荐：
CR染料去除;生物絮凝剂;植物基水处理材料;共沉淀机制;可持续水处理技术
哈姆扎·巴达马西（Hamza Badamasi）| 萨希德·O·桑尼（Saheed O Sanni）| 奥比阿努朱·帕蒂恩斯·伊洛（Obianuju Patience Ilo）| 阿德米杜恩·阿德奥拉·阿德西比坎（Ademidun Adeola Adesibikan）| 斯蒂芬·桑迪·埃马纽埃尔（Stephen Sunday Emmanuel）| 奥杜纳约·T·奥雷（Odunayo T. Ore）| 阿吉博拉·A·巴约德（Ajibola A. Bayode）
尼日利亚吉加瓦州杜特塞联邦大学（Federal University Dutse, Jigawa State）化学系
摘要
混凝-絮凝是一种广泛用于从受污染的水和废水中去除有毒染料的技术，因其在该领域的有效性而备受青睐。然而，传统化学混凝剂/絮凝剂成本高昂、会产生大量污泥，并可能对健康造成潜在影响，因此需要寻找成本更低、毒性更小且更环保的替代方案。本研究探讨了M. oleifera种子和O. ficus indica枝条利用混凝-絮凝技术去除水相中CR染料的潜力。这些植物材料通过0.5 M CaCl2进行提取，并通过FT-IR、元素分析等方法进行了表征。此外，实验还优化了工艺参数，包括pH值、M. oleifera/O. ficus-indica的用量、CR染料的初始浓度以及沉淀时间等。研究结果表明，在优化条件下，M. oleifera种子和O. ficus indica枝条的组合使用可达到98.7%的CR染料去除率。植物基材料的性能在统计上与传统化学混凝剂（明矾）相当，且产生的污泥量减少了4倍以上。FT-IR、元素分析等结果显示，蛋白质和多糖是负责电荷中和和桥接作用的关键生物活性化合物。这项研究证明了M. oleifera种子和O. ficus-indica枝条在混凝-絮凝过程中的有效性，为传统水处理方法提供了一种经济高效且环保的替代方案，符合联合国的可持续发展目标。
引言
来自塑料、纸浆与造纸、化妆品、纺织和印刷等行业的含染料废水日益严重的水污染问题对环境和公共健康构成了重大威胁[1]、[2]、[3]。大约80%的含合成染料的废水未经充分处理就被排放到水体中，每年导致约5万吨合成染料释放到环境中[4]、[5]。水系统中存在合成偶氮染料对公共健康和环境健康构成严重威胁，可能引发呼吸系统问题、肾脏损伤、神经系统疾病、胃部问题以及癌症等多种健康问题。在水生生物中，合成染料还会导致器官损伤和光合作用受阻[6]、[7]、[8]。其中，刚果红（CR）染料由于在纺织、塑料、制药和纸浆与造纸等行业中的广泛应用而成为最常用且危害最大的染料之一[9]、[10]。CR染料中的共轭芳香结构以及磺酸基团和偶氮键使其具有很强的抗生物降解性和化学氧化性[11]，这导致其在废水处理过程中无法完全去除，并在水体中长期存在[6]。因此，开发有效的、可持续的、环保的去除方法已成为当务之急，也受到了全球环境科学家和工程师的广泛关注。
多种传统的废水处理方法，如吸附[12]、电化学过程[13]、臭氧氧化[14]、过滤[15]和膜过滤[16]等，已被广泛用于CR染料的去除。然而，这些方法通常存在操作成本高、使用有毒化学物质、需要复杂设备以及会产生二次污染物的缺点，从而限制了它们的应用范围[17]、[18]。为了解决这些问题，混凝-絮凝技术作为一种多功能且经济高效的水处理方法应运而生，因为它在去除废水中的CR染料方面表现出色[19]、[20]、[21]。混凝-絮凝技术是一个包含三个物理化学步骤的过程（混凝、絮凝和沉淀），通过混凝剂破坏CR染料的胶体颗粒并使其聚集成较大的絮体[22]。通过添加絮凝剂来实现絮体的形成，沉淀后的絮体可以通过沉淀轻松与水相分离[20]。传统的化学混凝剂（如明矾）和絮凝剂（如合成阴离子或阳离子聚合物）在混凝-絮凝过程中被广泛使用，并已被证明对CR染料的去除有效[22]、[23]。然而，混凝剂/絮凝剂的高成本以及产生的大量污泥（进而增加处理费用），以及化学混凝剂/絮凝剂可能带来的健康风险（如癌症、阿尔茨海默病等），促使人们寻求成本更低、毒性更小且更环保的替代品[24]、[25]、[26]。
近年来，人们开始使用廉价、可生物降解、易于获取、可持续且环保的植物基材料作为传统化学混凝剂/絮凝剂的替代品[27]、[28]。这些材料富含多糖、蛋白质和单宁等活性成分，具有显著的混凝和絮凝效果[29]、[30]。属于辣木科（Moringaceae）的Moringa oleifera和属于仙人掌科（Cactaceae）的Opuntia ficus-indica》因其优异的混凝-絮凝性能而受到关注[31]、[32]。M. oleifera的种子和O. ficus-indica枝条提取的黏液分别含有大量的阳离子蛋白质和多糖，这些是它们混凝-絮凝作用的主要生物活性成分[33]、[34]。文献中有多项研究报道了利用M. oleifera和O. ficus-indica通过混凝-絮凝过程去除CR染料的成果。例如，Miyashiro等人[25]研究了M. oleifera种子提取物在优化条件下的去除活性黑5染料的效果，去除率为96.2%。Hulwati等人[35]发现，在pH值为4、絮凝速率为500 rpm的条件下，使用2.0 gO. ficus-indica和2.75 g paras stone可有效去除雷马佐尔红（Remazol Red）染料，去除率高达96.70%。Ihaddaden等人[7]使用膨润土作为混凝剂、Opuntia ficus-indica作为絮凝剂，实现了98.99%的出色去除率。Beltrán-Heredia等人[36]还使用M. oleifera种子作为天然混凝剂，成功去除了80%的胭脂红（Carmine Indigo）染料。Othmani等人[37]利用O. ficus-indica枝条提取物去除结晶紫（Crystal Violet, CV）染料，去除率约为99%。
因此，本研究的主要目的是评估植物基材料（M. oleifera和O. ficus-indica）在混凝-絮凝过程中去除水相中CR染料的潜力。具体研究目标包括：(i) 使用FT-IR和元素分析方法提取并表征M. oleifera种子和O. ficus-indica枝条提取物；(ii) 优化混凝-絮凝工艺参数（生物混凝剂/絮凝剂用量、pH值、CR染料初始浓度和沉淀时间）以去除CR染料；(iii) 评估CR染料的去除效率；(iv) 比较M. oleifera和O. ficus-indica提取物与传统化学混凝剂（Al2(SO?)3·18H2O）在去除CR染料效果和污泥生成方面的表现。
据我们所知，这是首次将M. oleifera和O. ficus-indica植物基材料组合用于水相中CR染料去除的混凝-絮凝过程的研究。本研究的结果将提供一种环保、经济高效且可持续的水处理技术，符合联合国的可持续发展目标。
实验部分
混凝剂/絮凝剂的采样、处理和提取
混凝剂（Moringa oleifera种子）取自尼日利亚卡诺州（Kano State）的Yankaba市场（坐标：12°00'30.2"N 8°34'53.7"E）。种子经过手工去壳、用去离子水清洗以去除杂质后，在40°C下干燥24小时。干燥后的种子用研钵研磨成细粉，然后加入100 mL 0.5 M CaCl2，并不断搅拌30分钟后提取。所得溶液过滤后储存于无菌容器中。
元素分析
元素分析有助于了解混凝-絮凝过程的机制和效率[63]。天然植物基混凝剂/絮凝剂含有多种生物活性化合物，这些化合物在混凝-絮凝实验中起关键作用[64]。M. oleifera种子和O. ficus-indica枝条的元素分析结果见表2。M. oleifera中含有丰富的...
结论
本研究探讨了利用植物材料（M. oleifera种子和O. ficus-indica）通过混凝-絮凝技术去除CR染料的效果。实验表明，在优化条件下，植物材料的去除效率达到98.7%，且产生的污泥量远低于传统化学混凝剂（明矾）。与传统混凝剂相比，植物基材料产生的污泥量减少了4倍以上。
伦理声明
不适用。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
未引用参考文献
[82]
资金支持
本研究未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织的资助。
作者贡献声明
阿吉博拉·A·巴约德（Ajibola A. Bayode）：撰写、审稿与编辑、验证。
萨希德·O·桑尼（Saheed O Sanni）：撰写、审稿与编辑、验证、软件开发、数据管理。
哈姆扎·巴达马西（Hamza Badamasi）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法设计、数据管理、概念构建、数据分析。
阿德米杜恩·阿德奥拉·阿德西比坎（Ademidun Adeola Adesibikan）：撰写、审稿与编辑、验证。
奥比阿努朱·帕蒂恩斯·伊洛（Obianuju Patience Ilo）：撰写、审稿与编辑、验证、数据管理。
奥杜纳约·T·奥雷（Odunayo T. Ore）：撰写、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
