将废弃塑料瓶回收利用为基于碳的吸附剂，用于去除碱性蓝41染料

《Green Chemistry Letters and Reviews》：Valorization of waste plastic bottles into carbon-based adsorbents for the removal of basic blue 41 dye

　　**摘要**

本研究探讨了从废弃塑料瓶（PETCA）中制备碳基吸附剂及其在去除碱性蓝41（BB41染料）中的应用。实验结果表明，在pH值为10、吸附剂用量为1.5克以及接触时间为45分钟的条件下，PETCA对浓度为150毫克/升的BB41染料的脱色效率最高，达到了93%。Langmuir等温线模型（LIM）能够很好地拟合实验数据（R2=0.918），而动力学结果则可以通过伪二级（PSO）动力学模型得到很好解释（R2>0.977）。吉布斯自由能（ΔGo）表明吸附现象是可行且自发的；PETCA的焓变（ΔHo）为-29.179千焦/摩尔，熵变（ΔSo）为87.96焦耳/开尔文。再利用研究表明PETCA具有很高的吸附效率。经过五个连续循环后，PETCA对BB41染料的去除能力仍保持在44%。与仅使用BB41染料的溶液相比，PETCA处理后的溶液有益于大麦的生长和生化指标的提升。这些结果表明，PETCA在合成后可以直接使用，无需进一步改性，显示出其作为高效、环保且可持续的废水染料去除吸附剂的巨大潜力。

**图例说明**

该图以信息图表的形式展示了废弃塑料瓶如何转化为碳基吸附剂，以及其在染料处理和种子试验中的应用过程。左侧显示了一堆被压碎的塑料瓶；右侧则标注了聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的化学结构，并展示了用于热解反应的工业装置。中间垂直框说明塑料瓶碎片在500摄氏度下热解3小时，随后碳基吸附剂用蒸馏水洗涤并在65摄氏度下烘烤2小时。底部中央的深色粉末即为聚对苯二甲酸乙二醇酯碳吸附剂，旁边的扫描电子显微镜图像显示了其颗粒状表面；另一张图表展示了该吸附剂的傅里叶变换红外光谱特征。左侧还有一个标注“循环经济”的圆形图形，旁边配有“减少使用”和“再利用”等提示语，并通过箭头与吸附剂相连接。右侧的烧瓶中装有碱性蓝41染料，通过另一箭头指向另一个烧瓶，其中装有经PETCA处理后的染料溶液；曲线箭头指向标注为大麦种子（Hordeum vulgare）的容器，旁边文字说明会对大麦种子进行植物毒性测试。

**关键词**：绿色吸附剂；植物毒性；塑料资源化；可重复使用性；可持续性

**1. 引言**

水污染对环境、经济增长和公众健康构成了严重威胁。近年来，由于城市规划不当、工业扩张、人口激增及工业活动等因素，水质持续恶化（参考文献1）。自然水资源的过度开发、不合理的废水管理以及水质低下导致全球范围内水资源短缺。纺织业是耗水量最大的行业之一，在生产过程中会排放大量污染物，如染料、金属、盐类和酸碱物质（参考文献2）。据预测，每年产生的合成染料总量达8×10^5吨，其中约15%-25%在工业生产过程中被释放到水中。染料具有复杂的芳香分子结构，使其难以降解。即便是极低浓度（1 ppm）的染料也会对水体造成负面影响，阻碍水生生物的光化学反应并降低水中溶解氧含量（参考文献3）。因此，对含染料的工业废水进行妥善处理至关重要，以限制对水资源的进一步污染并减轻对生态系统和人类的危害。目前已采用多种方法如絮凝、膜分离、化学氧化、吸附和反渗透等技术来去除染料（参考文献4, 5）。然而，这些方法操作复杂、需要化学品和专业知识，维护成本高，且容易导致污泥产生（参考文献6）。因此，迫切需要开发出可持续且高效的废水处理技术。吸附技术因效率高、能耗低、操作简便且可重复使用而具有广泛应用前景（参考文献7, 8）。尽管其快速动力学特性、与其他处理方法的兼容性以及无毒残留物的积累问题使其成为理想的环保废水处理方式，但选择合适的吸附剂对于提高去除效率至关重要（参考文献9）。虽然基于农业废弃物的生物质吸附剂已被用于去除多种合成染料，但直接使用未经改性的生物质碳可能效果不佳，因此通常需要进行物理或化学活化以增强其吸附性能（参考文献10）。多种吸附剂（如黏土、活性炭和金属有机框架）已被用于去除各种污染物（参考文献11, 12）。

塑料是工业体系的支柱，在全球经济中占据重要地位，广泛应用于食品包装、建筑、农业和医疗领域。1950年塑料产量为200万吨，到2024年已增至5亿多吨，预计到2050年还将增加三倍（参考文献13）。塑料因其易于生产、重量轻、耐用性强、耐热性高、抗物理化学降解、抗腐蚀且制造成本低而得到广泛应用。最近的研究发现，塑料颗粒广泛存在于水、土壤和空气中（参考文献14）。一次性塑料的使用占塑料总量的约一半（参考文献15）。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）因其优异性能（如高热稳定性、设计灵活性、经济性、易于加工、耐酸碱和微生物）而广泛应用于水瓶、食品容器和制药行业（参考文献16）。Shah等人（参考文献17）指出，全球每60分钟就有超过100万个塑料瓶被使用；到2023年这一数字上升至3亿吨。使用后，约58%的塑料瓶被丢弃，24%被焚烧，仅有18%被回收（参考文献18）。塑料已成为主要固体废弃物之一，年产量约为20亿吨，预计到2050年将增至40亿吨（参考文献19）。如果塑料生产持续增长，海洋中的塑料量或将超过鱼类总量（参考文献13）。塑料的过度使用导致大量废弃物产生，对人类健康和生态环境造成危害（参考文献20）。由于不可生物降解性，塑料会在环境中长期存在；但其降解会产生微塑料或纳米塑料，可能通过食物链或皮肤接触及吸入进入人体（参考文献21）。研究发现塑料存在于水瓶、包装食品、饮料、食盐和海产品中（参考文献21）。塑料颗粒会改变土壤的物理和化学性质，减少昆虫和螨虫的数量，降低作物产量（参考文献22）。因此，塑料废物治理是一项艰巨的任务。焚烧塑料虽可减少体积，但会释放二噁英、多环芳烃、呋喃、多氯联苯和二氧化碳等有害气体（参考文献23）。焚烧1吨塑料会产生5-10吨二氧化碳（参考文献24）。填埋法是目前全球处理60%以上塑料废物的主要方式，但会通过甲烷等有毒物质污染地下水和土壤（参考文献25）。塑料由多种聚合物组成并含有添加剂，难以通过传统回收方法处理。将塑料废物转化为有价值材料具有巨大潜力（参考文献26）。废弃塑料瓶聚合物可制成高效、经济且环保的碳基材料或活性炭吸附剂，用于有效去除水中的染料（参考文献27）。碱性蓝41染料（又称苯并噻唑鎓）是一种阳离子偶氮染料，广泛应用于纺织品染色（如棉、聚酯、羊毛和尼龙）（参考文献28）。长期接触该染料可能导致过敏、皮肤刺激和肿瘤等健康问题（参考文献4）。目前尚未有研究利用废弃塑料瓶制成的碳基吸附剂去除BB41染料的案例。本文创新之处在于开发了一种基于废弃塑料瓶的碳基吸附剂用于去除BB41染料，并测试了处理后的染料溶液对大麦（Hordeum vulgare L. 品种K551）生长参数的影响，探究其作为灌溉材料的潜在用途。通过吸附等温线、动力学和热力学参数分析了PETCA与染料之间的相互作用，还研究了吸附剂的重复使用性及在实际应用中的效果。本研究证实了一种可靠、可扩展且经济可行的方法，既可用于废弃物的资源化，也可用于废水处理，并可大规模应用于实际废水处理。

**2. 材料与方法**

2.1. 试剂和种子
实验所用透明塑料水瓶废弃物来自当地市场，为使用后的废弃产品。所有实验均采用分析级化学品，盐酸（HCl，纯度99%）和氢氧化钠（NaOH，纯度97%）由孟买的Merck公司提供；碱性蓝41染料（C20H26N4O6S2，目录编号324825）未经纯化直接使用，购自班加罗尔的Sigma Aldrich公司。所有试剂均在去离子水中制备。本研究使用的大麦种子为Hordeum vulgare L. 品种K551。

2.2. 从废弃塑料水瓶制备碳基吸附剂
本研究以废弃的透明塑料水瓶为原料。先将塑料瓶压碎成小块，用洗涤剂溶液清洗以去除灰尘；再用丙酮去除标签上的残留胶质。清洗后，将塑料碎片置于阳光下晾晒3天以减少水分，随后用实验室研磨机将其研磨成粉末。在500°C、加热速率为10°C/分钟的热解反应器中，将这些粉末热解3小时；热解过程中通入氮气（流量为100立方厘米/分钟）以保持惰性环境（参考文献29）。制备好的碳基吸附剂（PETCA）用蒸馏水冲洗后，在65°C的烘箱中干燥2小时以去除杂质和微生物（参考文献30）。为确保颗粒大小一致，使用80目筛网（170 μm）进行筛分。样品储存于无菌聚乙烯袋中以备后续使用。

2.3. 基本性质评估
对PETCA进行基本性质测试，以评估其在热化学变化过程中的稳定性。将2克PETCA样品置于110°C的热空气烘箱中加热60分钟测定水分含量；挥发性物质含量测试是在封闭坩埚中将其加热至900°C并保持10分钟；灰分含量测试是在开放坩埚中加热至775°C并保持10分钟（参考文献31）。通过以下公式计算热化学处理后PETCA中的水分、灰分、固定碳和挥发性物质含量：
(1) 固定碳含量 = (100 - (挥发性物质含量 + 水分含量 + 灰分含量))

2.4. 染料储备液的制备
使用去离子水配制不同浓度的BB41染料储备液（浓度1000毫克/升）。通过紫外-可见光分光光度计测量BB41染料的吸光度，其性质详见表1。

2.5. …（此处应有表格内容，但原文未提供）**批量研究**
进行了一项批量研究，以评估PETCA作为吸附剂从水溶液中去除BB41染料的潜力。研究了多种变量，如pH值（2-12）、接触时间（15-90分钟）、吸附剂用量（0.5-3克）、BB41染料浓度（50-300毫克/升）、搅拌速度（50-300转/分钟）和温度（25-50摄氏度），以利用PETCA去除溶液中的BB41染料。取了不同浓度的BB41染料溶液（100毫升，浓度分别为50、100、150、200和300毫克/升），并分别加入0.5、1、1.5、2、2.5和3克的PETCA。对照组 flask中没有加入PETCA。使用紫外-可见光分光光度计在λmax=617纳米处测量了光密度。通过方程2和3分析了BB41染料的去除百分比（%）和吸附潜力：
(2) BB41染料去除百分比(%) = (Co-Ct) / Co × 100
其中Co和Ct分别表示初始和最终的BB41染料浓度（毫克/升）。
(3) qt = (Co-Ct) / (m × V)
其中C0和Ct分别表示初始和平衡状态的BB41染料浓度（毫克/升），m表示吸附剂用量（克），V表示体积（升）。

**零电荷点**
采用Rivera-Utrilla等人的方法（参考文献32）确定零电荷点。使用0.1摩尔的HCl和NaOH溶液保持pH值在2-12之间。将1克PETCA加入不同溶液中，在室温下保持24小时后，测定最终pH值。零电荷点（pHZC）的计算公式为：
pHZC = pH初始 × f(PH初始)。

**PETCA的特性分析**
使用傅里叶变换红外光谱（FTIR，Perkin Elmer 2000，美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）在400-4000厘米^-1的波长范围内，通过KBr压片法在室温下分析了PETCA的特性，以检测BB41染料吸附前后吸附位点的变化。还进行了扫描电子显微镜（SEM，Quanta FEG 650，美国加利福尼亚州贝弗利）分析，以观察BB41染料吸附前后PETCA表面的特征。

**吸附等温线**
为了评估吸附现象，分析了多种等温线模型以进行平衡吸附分析：

**3.1. Langmuir等温线**
Langmuir等温线假设染料在均匀的活性位点上形成单层，且染料分子之间没有相互作用（参考文献33）。吸附剂表面的吸附能量是均匀的，可以用方程4表示：
(4) Ceq = 1 / (qm × KL)
其中qm表示最大BB41染料吸附量（毫克/克），qe表示BB41染料的平衡吸附量（毫克/克），Ce表示BB41染料的平衡浓度（毫克/升），KL表示与BB41染料结合的Langmuir常数。

**3.2. Freundlich等温线**
Freundlich等温线模型（FIM）解释了在非均匀表面上的多层吸附现象，显示了吸附过程中吸附焓的变化（参考文献34）。它描述了BB41染料在溶液和PETCA之间的平衡状态，公式为：
(5) ln(qe) = ln(KF) + (1/n) × ln(Ce)
其中KF表示吸附能力，n表示吸附强度。当n>1时，BB41染料的吸附可能是物理吸附；当n=1时为线性吸附；当n<1时为化学吸附。

**3.3. Temkin等温线**
Temkin等温线表明，由于PETCA和BB41染料之间的相互作用，BB41染料的吸附热会随着覆盖率的增加而降低；这反映了由于PETCA表面和BB41染料之间的相互作用导致的吸附能量减少，公式为：
(6) qe = RT / (bTIn(AT) + RT / (bTIn(Ce))
其中AT是Temkin等温线常数（升/克），T是温度（摄氏度），R是气体常数（焦耳/摩尔·开尔文），bT是吸附热的Temkin常数（焦耳/摩尔）。

**动力学研究**
为了估算定义BB41染料吸附的动力学参数，使用了伪一级（PFO）、伪二级（PSO）和颗粒内扩散（WMIPD）模型。这些模型的线性化方程分别为方程(7)、(8)和(9)（参考文献36）。Langergren（参考文献37）描述了PFO模型，该模型认为吸附速率取决于平衡时吸附的染料质量与时间差。此外，PFO模型假设吸附位点上只有一种作用机制（参考文献16）。变量通过方程(7)获得：
(7) ln(qe - qt) = ln(qe) - k1 × t
其中qe表示平衡状态下的BB41染料吸附量，qt表示时间t时的BB41染料吸附量，k1表示PFO吸附速率常数（分钟^-1）。PSO模型认为吸附存在一个动力学限制步骤，且吸附速率与吸附剂表面的空位和占据位点数量成正比（参考文献38）。公式(8)表示：
(8) t / qt = 1 / (k2 × qe^2 + t / qe)
其中k2表示PSO吸附速率常数（克/毫克·分钟）。Weber和Morris（参考文献39）使用线性化的WMIPD模型（方程9）解释了动力学结果分析，以确定除了物理吸附或化学吸附之外，外部膜或颗粒内扩散是否提供了速率控制的步骤。

**热力学参数**
评估了BB41染料在PETCA上的吸附过程中的吉布斯自由能（ΔG0）、焓（ΔH0）和熵（ΔS0）。根据Khan和Singh的方法（参考文献40），使用范特霍夫方程（方程10-12）分析热力学参数：
(10) ΔG0 = -RT × ln(Kd)
(11) Kd = qe / Ce
(12) ΔG0 = ΔH0 - T × ΔS0
其中Kd是从Langmuir等温线常数得到的无量纲平衡值（参考文献41）。ΔG的单位是千焦耳/摩尔，R是通用气体常数（8.314焦耳/摩尔·开尔文），T是温度（摄氏度），ΔH0是焓（千焦耳/摩尔），ΔS0是熵（焦耳/开尔文）。

**吸附剂的重复使用性**
将2克的PETCA加入BB41染料溶液中，并在28±2摄氏度下于200转/分钟的摇床中孵育80分钟。通过离心分离PETCA和BB41染料的混合物，然后测量滤液的吸光度以分析吸附剂的染料吸附量。将含有BB41染料的PETCA在50摄氏度下孵育6小时以增强染料吸附效果。随后用1N HCl和NaOH冲洗PETCA，并在45分钟后以180转/分钟的速度测量脱附溶液的吸光度（参考文献42）。彻底清洗PETCA以去除脱附溶液，然后将其置于50摄氏度下孵育4小时。通过五个连续循环估计PETCA的去除百分比，并使用以下公式计算BB41染料的脱附百分比：
(13) 脱附百分比 = BB41脱附量 / BB41吸附量 × 100

**2.11. 植物毒性研究**
用去离子水清洗大麦种子，然后用0.1%的NaOCl清洗5分钟以检测微生物污染，再用去离子水冲洗。使用了三组实验：蒸馏水、BB41染料溶液和经过PETCA处理的BB41染料溶液，每种情况下放置十粒大麦种子4小时。将大麦种子置于Petri皿中，在28±2摄氏度的温度下，在85%的湿度下进行为期两周的光照发芽处理。使用方程(14)和(15)计算发芽百分比、幼苗长度和大麦的新鲜或干重活力指数（参考文献43）。

**2.12. 生化成分分析**
使用Lichtenthaler（参考文献44）、Hedge和Hofreiter（参考文献45）以及Lowry等人（参考文献46）的方法估算了叶绿素、糖和蛋白质的含量。

**2.13. 成本分析**
碳基吸附剂的制备包括收集废弃塑料瓶、研磨、热解和干燥等步骤。根据Patel等人的方法（参考文献47），使用以下公式(16)计算了从塑料瓶废物制备吸附剂的成本：
(16) 成本总成本 = 成本P + 成本Pro + 成本CA + 成本Pyro + 其他成本
其中成本总成本是以印度卢比（?）/千克计算的吸附剂总制备成本，成本Pro包括尺寸减小、清洗和干燥等费用，成本CA是吸附剂的化学活化成本（如果有的话），成本Pyro是干燥材料的热解成本，其他成本包括10%的净成本（包括其他材料或劳动力等）。使用公式(17)分析了整个制备过程中设备消耗的能量（E）：
(17) E = kW × 小时 × 能源单位成本（美元/千瓦时）

**2.14. 统计分析**
在随机区组设计（RBD）中，每个处理重复三次实验。实验参数根据变量进行分组，以减少偏差并提高处理比较的精度。数据使用ANOVA进行分析，当P<0.05时，使用DMRT计算处理平均值。

**3. 结果与讨论**
本研究探讨了利用从塑料废物瓶合成的碳基吸附剂从水溶液中去除BB41染料的应用。通过初步分析、FTIR和SEM研究了合成PETCA的性能，并通过批量研究评估了不同属性对BB41染料去除效果的影响，还对PETCA处理后的BB41染料溶液对普通大麦（Hordeum vulgare）生长的影响进行了评估。

**3.1. 碳基吸附剂的初步分析**
进行了初步分析，以测定PETCA中的固定碳、挥发物和灰分含量。由于热解处理，吸附材料会释放气体和液体，留下高碳含量的物质。初步分析数据显示PETCA的挥发物含量为94.2%，固定碳含量为4.87%；而水分和灰分含量分别为0.7%和0.23%。因此，结果显示PETCA含有较多的挥发物和固定碳，而水分和灰分含量较低（见表2）。PETCA中较高的挥发物含量是由于含有芳香族挥发性有机化合物和萜烯等，而较高的固定碳含量表明其具有较好的吸附性能，这归因于较大的表面积和较高的染料吸附效率。

**3.2. PETCA的特性分析**
**3.2.1. 表面特性**
图1(a,b)显示了BB41染料吸附前后PETCA的FTIR光谱（波数范围500-4000厘米^-1）。在BB41染料吸附后，FTIR光谱中的某些带强度发生了显著变化，这可能是由于PETCA的吸附位点与BB41染料之间的相互作用（图1b）。3407厘米^-1处的伸缩峰表示PETCA分子中的O-H基团。3413厘米^-1处的吸附峰与胺基团的N-H振动一致（参考文献48）。通过1601厘米^-1处的伸缩峰确认了从PET废物中生成碳基吸附剂，这是sp2石墨烯材料的重要特性（参考文献49）。图2(a)显示，碳基吸附剂在3407、1243和1106厘米^-1处有四个吸附峰，分别对应O-H、酯C-O-C醚或酚以及烷氧基C-O的伸缩振动（参考文献50）。1511至1243厘米^-1之间的吸附峰表明存在苯基（参考文献36），891和666厘米^-1处的峰表明存在芳香族C-H键（参考文献51）。2359厘米^-1处的伸缩峰表明存在炔烃三键（参考文献52）。因此，合成的PETCA具有多个表面吸附位点，特别是含氧官能团，这些官能团有助于从水介质中吸附BB41染料。1642厘米^-1处的峰与羧基和C=O键有关（参考文献53）。1055和1086厘米^-1处的峰分别表明存在醚C-O和C-O-C键（参考文献53）。然而，在BB41染料吸附后，PETCA上的FTIR官能团发生了变化，1243和891厘米^-1处的吸附峰显著减弱，反映了PETCA的芳香化合物通过π键参与吸附过程（参考文献54）。1429至1642厘米^-1之间的伸缩峰与-N=N-偶氮键有关（参考文献52）。3413厘米^-1处的N-H伸缩峰和1234至1367厘米^-1处的-C-N-吸附峰表明胺基的存在。1367至1429厘米^-1之间的伸缩峰表明存在磺酸基团。此外，在1162至891厘米^-1之间观察到一些新峰，表明硫原子参与了BB41染料的吸附过程以及BB41染料分子与PETCA表面的氢键结合（参考文献54）。图2(b)中1601-1660厘米^-1处没有峰，表明羧基与BB41染料之间没有相互作用。从图1(a)可以清楚地看出，PETCA在BB41染料吸附前比吸附后含有更多的官能团。峰强度的变化反映了PETCA与BB41染料之间的化学相互作用。因此，PETCA表面的不同吸附位点在通过氢键、静电相互作用和离子交换吸附BB41染料过程中起了关键作用。

**3.3. PETCA处理后的特性分析**
FTIR光谱显示，在BB41染料吸附前后，PETCA的化学结构发生了变化。特别是1243和891厘米^-1处的吸附峰显著减弱，表明PETCA的芳香化合物通过π键参与了吸附过程。1429至1642厘米^-1之间的伸缩峰与-N=N-偶氮键有关（图1(b)）。3413厘米^-1处的N-H伸缩峰和1234至1367厘米^-1处的-C-N-吸附峰表明胺基的存在。1367至1429厘米^-1之间的伸缩峰表明存在磺酸基团。此外，在1162至891厘米^-1之间观察到一些新峰，表明硫原子参与了BB41染料的吸附过程以及BB41染料分子与PETCA表面之间的氢键结合（参考文献54）。第二张图中的峰值显示出与第一张图相比，强度有所改变，峰值位置也发生了轻微偏移。峰值强度的偏移反映了PETCA与BB41染料之间的化学相互作用。查看完整大小的图2。PETCA的扫描电子显微镜（SEM）图像：(a) 吸附BB41染料之前的PETCA（孔隙已填充）；(b) 吸附BB41染料之后的PETCA（孔隙已填充）。阅读此图的详细描述。

该图展示了两张灰度扫描电子显微镜图像（分别标记为a和b），用以比较PETCA的表面情况。PETCA是一种从废塑料瓶中提取的碳吸附剂。在左侧图像a中，PETCA表面呈现为由不规则细颗粒簇覆盖的角状碳碎片，有许多可见的空洞和间隙，表明其具有开放的多孔结构。在右侧图像b中，颗粒排列更加紧密，聚集的圆形颗粒部分遮挡了这些空洞；虽然还能看到一些深腔，但看起来不如前者那么开放。这两张图像直观地展示了PETCA在与BB41染料相互作用前后的表面形态变化，突出了孔隙填充和表面颗粒聚集后的变化。

通过扫描电子显微镜（SEM）分析了PETCA在吸附BB41染料前后的表面形态特性，结果如图2(a,b)所示。SEM观察是在15,000倍放大倍数下进行的。PETCA在吸附BB41染料之前的图像显示出一个表面平滑但高度聚集的结构，并存在一些空洞，这反映了其多孔特性。然而，在吸附BB41染料之后，PETCA的SEM图像显示出一个表面粗糙且有沟槽和孔隙的状态（引用16）。吸附后，由于BB41染料分子填充了PETCA的孔隙，表面变得紧密。

3.3. 吸附实验
研究了pH值、接触时间、BB41染料浓度、吸附剂用量、搅拌速度和温度对BB41染料从含水介质中去除的影响（图3(a–f)）。使用不同参数分析了PETCA的吸附容量和吸附现象。图3显示了在不同条件下PETCA去除BB41染料百分比的六张条形图（分别标记为a至f）。所有图表都使用垂直轴标签“BB41染料去除百分比”，范围从0到120，单位间隔为20，并附有小的误差条。图a中的pH值为2-12，图b中的接触时间为15-90分钟；图c中的吸附剂用量为0.5-3克/升；图d显示BB41染料浓度为50-300毫克/升；图e显示搅拌速度为50-300转/分钟；图f显示用于优化实验条件的温度为25-50°C。

3.3.1. pH值的影响
初始pH值是吸附过程中的决定性变量，因为它影响BB41染料的溶解度、存在形式和离子化势，以及染料在吸附剂表面的固定效率（引用55）。为了研究pH值对BB41染料去除效果的影响，将初始pH值从2变化到12，同时保持其他过程变量不变（图3(a)）。pH值为2、4、6、8和12时，PETCA分别去除的BB41染料百分比分别为53%、62%、71%、82%和45%。在pH值为10时，PETCA对BB41染料的吸附量达到最大，为93%。pH值从2增加到10时，BB41染料的去除效果增强；但在pH值超过10后，去除效果没有进一步提升。因此，pH值10被认为是最佳的。BB41是一种阳离子染料，在水中溶解后会带正电荷。因此，在低pH值的酸性环境中，PETCA带正电荷的表面会阻碍阳离子BB41染料的吸附。随着pH值的增加，H+离子浓度降低，负电荷位点的数量增加，正电荷位点的数量减少。结果，当溶液pH值升高时，由于负电荷PETCA表面与正电荷BB41染料之间的静电吸引力增强，BB41染料的吸附效果也随之增强（引用56）。

3.3.2. 接触时间
达到吸附平衡所需的接触时间是一个影响染料去除的重要参数。我们选择了1.5克PETCA和pH值10作为分析条件。分别在15分钟、30分钟、45分钟、60分钟和90分钟时，观察到PETCA对BB41染料（浓度为150毫克/升）的去除率分别为69%、80%、91%、63%和55%、42%。在吸附实验开始时，由于有空闲的吸附位点，因此染料的去除率较高。随着时间的推移，BB41染料逐渐占据PETCA上的可用位点，随后由于位点减少，去除率降低并达到平衡状态。这是由于BB41染料分子迅速扩散到PETCA表面，然后在颗粒内部基质中快速扩散以达到平衡。起初，PETCA和BB41之间的浓度梯度驱动力较大，因此吸附速率较高。在最初的45分钟内，BB41染料在PETCA上的吸附迅速并达到平衡，之后吸附速率下降（图3(b)）。随着时间的推移，由于固体相和液相之间的 repulsive forces（可能是指相互排斥力），剩余的空位无法被进一步填充。

3.3.3. 吸附剂用量
吸附剂用量是评估染料吸附效率的重要因素。为了确定最佳吸附剂量，研究了不同PETCA用量对BB41染料去除效果的影响（图3(c)）。将PETCA用量从0.5克增加到1.5克后，基本蓝色染料41的去除效率显著提高，从70%增加到92%。当PETCA用量为1.5克时，染料去除率达到最高，为92%。吸附剂用量的增加导致染料去除率提高，主要是因为在高吸附剂负载率下，染料从液体相传递到固体表面的过程受到影响。当PETCA用量超过最佳范围时，吸附剂用量的增加并未进一步提升去除效率。这可能是由于PETCA颗粒形成簇状结构或部分聚集，从而阻碍了染料分子进入孔隙或吸附位点，降低了染料的去除效果（引用58）。此外，PETCA的添加通过减少表面积和增加扩散路径长度，降低了BB41染料的吸附容量（引用59）。

3.3.4. 染料浓度
为了研究BB41染料浓度对去除百分比的影响，在保持其他过程变量不变的情况下，测量了染料溶液的浓度范围（50–300毫克/升）（图3(d)）。Regti等人（引用60）指出，初始染料浓度的影响取决于吸附剂表面上空位的状态。在低浓度下，染料去除率较高，因为此时染料分子在可用表面积上的比例较大。而在高浓度下，由于吸附位点不足，染料分子之间的竞争加剧。当BB41染料浓度较低时，浓度梯度不足以推动染料进入PETCA的空位；然而，染料浓度的增加提高了克服质量传递阻力的相互作用压力，从而促进了染料向PETCA表面的移动，增强了吸附效果（引用61）。最初，由于PETCA表面有足够的结合位点，染料去除率较高；但在BB41染料在PETCA表面聚集后，去除率下降。当PETCA上的染料浓度达到最佳值150毫克/升时，记录到最大的BB41染料吸附量。不同的染料浓度（50–300毫克/升）表现出不同的动态压力，以克服PETCA与水介质之间的质量传递阻力（引用62）。

3.3.5. 搅拌速度
随着搅拌速度的增加，BB41染料的去除效果也得到提升，在200转/分钟时记录到了最高的88%去除率（图3(e)）。吸附效率的提高是由于搅拌增加了对PETCA表面薄膜阻力的破坏，从而增强了BB41染料在溶液中的扩散（引用63）。这提高了BB41染料与PETCA之间的接触，并促进了染料分子从水溶液向吸附剂的转移。然而，在250转/分钟和300转/分钟时，BB41染料的去除效果没有进一步提升。

3.3.6. 温度
研究了在不同温度（25、30、35、40、45和50°C）下BB41染料在PETCA上的吸附情况。在25°C、30°C和35°C时，BB41染料的吸附率分别为56%、63%和74%。在40°C时，BB41染料的去除率达到最高，为89%（图3(f)）。随着温度的升高，BB41染料的去除效果增强，因为温度提高了染料的移动性和吸附位点的可访问性。随着温度的升高，PETCA的表面积增加，这是由于含有氧的结合位点减少（引用64），同时吸附的BB41染料的动能也增加，克服了静电吸引力。然而，在45°C和50°C时，PETCA对BB41染料的吸附量减少，表明吸附过程受到热生成的影响。在较高温度下，BB41染料的吸附作用受到抑制，可能是由于静电相互作用减弱。这也表明吸附是一个放热过程。

3.4. 零电荷点
吸附剂表面的负电荷或正电荷在零电荷点（pHpzc）处保持平衡。PETCA的pHpzc值受吸附剂表面官能团的影响。在pHpzc点，吸附剂表面的净电荷为零。图4展示了pH初始值与pHpzc值之间的关系。从图中可以确定pHpzc为5.3。当pHpzc < pH initial时，阳离子BB41染料在PETCA表面的吸附会更为强烈，因为此时PETCA表面带负电荷，表现出PETCA与BB41染料之间的静电相互作用。

图4是一张折线图，展示了PETCA的最终pH值与初始pH值之间的差异如何随着初始pH值的变化而变化。横轴标记为pHinitial，纵轴标记为pHfinal minus pHinitial。数据点通过带有小误差条的连续线连接。整体来看，曲线从pHinitial为1时的0.4上升到pHinitial为2时的接近2.6的峰值，然后在pHinitial为5和6之间下降，并在pH初始为7时降至大约-1.5。

3.5. 吸附等温线模型
应用了Langmuir（LIM）、Freundlich（FIM）和Temkin（TIM）等模型来描述BB41染料在PETCA上的吸附过程。变量经过分析，估算出了吸附剂的饱和吸附量qmax（图5(a–c)）。线性插值法（LIM）显示出更好的染料吸附性能，BB41染料与PETCA达到平衡吸附时表现出单层吸附现象，这两种物质的结合位点相似；每种物质可能每个位点只能吸附一个BB41染料分子（参考文献65）。PETCA表现出物理和化学吸附现象，其BB41染料的吸附容量（qm）增加了7.25 mg/g（表3）。图5：(a)表示BB41染料在PETCA上的Langmuir等温线，(b)表示Freundlich等温线，(c)表示Temkin等温线[操作参数：pH=10，BB41染料浓度=150 mg L^-1，PETCA剂量=1.5 g，接触时间=45 min]。

多组分吸附现象可以用Freundlich模型（FIM）来解释，随着BB41染料浓度的增加，吸附效果得到增强。在本研究中，Freundlich模型的参数n值为69.444，即1/n<1（计算结果为0.0144），这表明BB41染料在PETCA上的吸附是一个物理吸附过程。n值大于1可以确保PETCA作为BB41染料吸附剂的适用性。高KF值2.0804反映了PETCA的高吸附效率。Temkin模型（TIM）显示了BB41染料与PETCA之间的微弱相互作用效应，AT通过曲线斜率估算，BT通过曲线的截距分析得出。然而，TIM模型的相关系数R2仅为0.0193，表明PETCA对BB41染料的去除效果并不理想（表3）。

线性插值法（LIM）模型被证明比Freundlich模型（FIM）和Temkin模型（TIM）更适用，其R2值为0.9177，反映了BB41染料在PETCA表面的单层覆盖情况（图5）。对于PETCA，LIM模型的参数分别为：qm=7.25 mg/g，kL=0.00963 L mg^-1，R2=0.9177；Freundlich模型的KF值为2.0804，n值为69.444，R2值为0.007；Temkin模型的bT值为0.6185 (J mol^-1)，AT值为5796.45 (L mol^-1)，R2值为0.0193。

吸附动力学变量有助于预测吸附速率，动力学机制有助于设计和建模吸附实验。已分析多种动力学模型、速率控制步骤以及吸附机制（参考文献66）。基于实验结果，使用PFO、PSO和WMID模型来预测吸附动力学和速率控制过程（图6(a–c)）。动力学研究描述了PETCA与BB41染料之间的质量传递阻力。BB41染料的初始吸附速率很快，但在45分钟后由于PETCA上可用位点的饱和而减缓（图6(a)表示PFO模型，(b)表示PSO模型，(c)表示WMIPD模型[操作参数：pH=10，BB41染料浓度=150 mg L^-1，PETCA剂量=1.5 g，接触时间=45 min]。

PFO模型描述了物理吸附过程，它关注的是染料在吸附剂上的吸附速率，而PSO模型认为化学吸附是控制速率的关键步骤。PFO、PSO和WMID模型的R2值分别为0.0054、0.9766和0.3793（表4）。PSO模型在PETCA上的线性度较高，R2=0.9766（图6(b)），因此它比PFO或WMID模型更符合BB41染料在PETCA上的吸附过程（参考文献36）；因此，吸附过程属于化学吸附（参考文献67）。然而，PSO模型无法预测扩散现象。吸附系统中BB41染料的传输可以用颗粒内扩散或两种模型共同解释（参考文献68）。广泛采用的方法是在WMID图中拟合实验数据以确定吸附机制。为了说明扩散机制，应用了颗粒内扩散模型。然而，较低的R2值（0.3793）表明WMID模型无法单独定义吸附现象，因为曲线在原点不交叉；因此，它不能单独显示速率限制步骤。该图显示了不同阶段，例如颗粒内扩散后的外部质量传递，表明BB41染料分子通过膜扩散转移到PETCA表面，其速率较快。随后，BB41染料分子通过颗粒内的孔隙进行扩散。这一过程同时展示了膜扩散和颗粒内扩散。配位和离子交换机制也调节了染料的吸附速率（表4）。

温度对染料吸附有显著影响。使用热力学变量估算了25、30、35、40、45和50°C下BB41染料去除的热效应。为了评估吸附的热力学参数，应用了范特霍夫方程来估算Gibbs自由能ΔH0和ΔS0（表5）。每个温度下的ΔG0值均为负值，表明吸附过程是自发的且有利。ΔH0和ΔS0的值来源于ln Kd与T^-1的范特霍夫图的斜率和截距。PETCA的ΔH0值为-29.179 kJ mol^-1，表明这是一个放热过程。ΔS0值为正值87.96 J K^-1，表明在BB41染料吸附过程中，固体/液体界面的无序性和随机性增加；因此，PETCA表面结构发生了变化，染料分子克服了吸附活化能的障碍（参考文献69）。熵值为正值，表明水溶液中的相互作用大于BB41染料与PETCA之间的相互作用，反映了染料结构和PETCA吸附的变化（参考文献70）。热力学变量分析表明，吸附主要是物理吸附现象；然而，PSO动力学揭示了化学吸附是主要过程。因此，在染料吸附过程中可能同时发生物理吸附和化学吸附（参考文献71）。

PETCA对BB41染料的吸附受吸附剂上官能团的可用性、BB41染料在PETCA表面的扩散以及染料与吸附剂之间的相互作用控制。吸附过程包括以下阶段：(i) BB41染料从水溶液中通过膜扩散转移到PETCA表面，然后通过颗粒内扩散重新分布；(iii) BB41染料进入PETCA的孔隙（参考文献8）。FTIR结果显示在3407 cm^-1处有一个吸附峰，这是因为-OH基团的伸展反映了PETCA中酚基团和醇基团的存在。在1162至891 cm^-1之间观察到的吸附峰表明形成了氢键，涉及BB41染料中的氮原子和-OH基团或PETCA表面其他官能团上的氢原子（参考文献72）。BB41染料吸附后，两个吸附峰分别移至1642和3413 cm^-1，表明羟基和羰基参与了吸附过程，这与BB41染料与PETCA之间的电吸引力相符。位于460 cm^-1的峰是由于氧的孤对电子与BB41染料π轨道中的非定域电子之间的n-π相互作用（参考文献72）。因此，氢键、孔隙扩散和n-π相互作用在BB41染料在PETCA上的吸附中起关键作用（图7）。

在PETCA多孔碳上，BB41染料的吸附机制如图7所示。一个大圆表示PETCA多孔碳颗粒，其边缘用多个蓝色小点标出表示BB41染料颗粒。PETCA表面含有羟基和羧基，这些基团与氮原子、磺酸基团以及BB41染料分子的其他取代基团相互作用，在表面羟基和羧基附近形成氢键，带电基团之间的静电吸引，以及标记的孤对电子区域与芳香环之间的n-π相互作用，还有PETCA表面的空活性位点。因此，孔隙扩散、氢键和n-π相互作用在BB41染料在PETCA上的吸附中起重要作用。

在吸附过程中使用PETCA后，可以通过后续的吸附-解吸循环通过解吸染料结合的分子来恢复其吸附能力。吸附剂的回收利用至关重要，因为它可以降低吸附操作成本、减少对连续吸附剂的需求、能源消耗和污染（参考文献73）。进行了五次连续的吸附-解吸循环来评估PETCA的回收性。使用碱性和酸性试剂从PETCA表面解吸BB41染料，因为BB41染料溶液中同时存在负电荷和正电荷官能团。图8显示，经过五次循环后，PETCA的BB41染料吸附容量分别达到了93%、81%、73%、57%和44%。由于吸附位点的减少、微孔堵塞或BB41染料从PETCA表面的解吸，第一次循环后BB41染料的吸附容量下降。因此，从第一次到第五次循环的BB41染料吸附容量下降表明解吸步骤清除了循环之间的吸附剂污染物。再利用研究表明，PETCA可以多次用于从水介质中去除BB41染料，使其高效、可行且环保。因此，设计基于PETCA的吸附系统表明它可以作为一种经济有效的吸附剂，适用于大量 vorhand的废弃塑料瓶（图8）。

在PETCA表面，BB41染料的吸附受吸附剂上官能团的可用性、BB41染料在PETCA表面的扩散以及染料与吸附剂之间的相互作用控制。PETCA对BB41染料的吸附过程包括以下阶段：(i) BB41染料通过膜扩散从水溶液转移到PETCA表面，然后通过颗粒内扩散重新分布；(ii) BB41染料进入PETCA的孔隙（参考文献8）。FTIR结果显示在3407 cm^-1处有一个吸附峰，这是因为-OH基团的伸展反映了PETCA中酚基团和醇基团的存在。π-π相互作用可能通过PETCA表面的酚基羟基得到增强。在1162至891 cm^-1之间观察到的吸附峰表明形成了氢键，涉及BB41染料中的氮原子和-OH基团或PETCA表面其他官能团上的氢原子（参考文献72）。BB41染料吸附后，两个吸附峰分别移至1642和3413 cm^-1，表明羟基和羰基参与了吸附过程，这与BB41染料与PETCA之间的电吸引力相符。位于460 cm^-1的峰是由于氧的孤对电子与BB41染料π轨道中的非定域电子之间的n-π相互作用（参考文献72）。因此，氢键、孔隙扩散和n-π相互作用在BB41染料在PETCA上的吸附中起关键作用。出于实验目的，设置了三组不同的处理方案：一组使用去离子水作为对照；第二组使用浓度为150 mg L?1的BB41染料溶液；第三组使用经过PETCA处理的BB41染料溶液对大麦种子进行处理。对照组的大麦种子发芽率最高，达到了95%；而使用150 mg L?1 BB41染料溶液处理的种子发芽率为14%；经过PETCA处理的BB41染料溶液处理的种子发芽率为72%。对照组中胚根和幼苗的长度分别为3.55厘米和9.49厘米，而在BB41染料处理后，这两项指标显著缩短（p < 0.05），分别降至0.82厘米和2.79厘米。大麦幼苗的生长情况及其活力指数也反映了这一趋势：对照组（蒸馏水）> PETCA处理的BB41染料溶液 > BB41染料溶液（见表6）。对照组的大麦幼苗生物量最高；与未经处理的植物相比，使用BB41染料溶液处理的植物鲜重减少了75%，干重减少了82%。大麦植株中的叶绿素、糖分和蛋白质含量均达到最高水平；而经过BB41染料处理的幼苗中，这些成分的含量分别减少了71%、77%和78%（见表7）。PETCA处理过的BB41染料溶液中存在的残留成分（如芳香胺、有机酸、部分氧化的染料成分、残留盐分以及pH值的变化）可能对大麦的发芽和生理过程产生抑制作用。然而，通过优化操作参数或延长处理时间可以促进染料的完全矿化并降低其对植物的毒性。开发一种混合处理系统（例如结合微生物降解或高级氧化工艺）可以进一步分解中间产物。

表6. 不同处理条件下Hordeum vulgare L. K551品种的生长参数。下载CSV

表7. 不同处理条件下Hordeum vulgare L. K551品种的生化成分。下载CSV

3.11. 成本分析
基于碳的吸附剂的成本分析是一个关键因素，它使得吸附现象具有可行性。吸附剂的生产包括原材料收集、研磨、热解和干燥等步骤。吸附剂的再生能力进一步降低了总体成本。各步骤的成本分解详见表8。成本以印度卢比（?）计算，并根据2026年3月4日的汇率（1美元 = ?92.98）转换为美元（$）。与其它市面上销售的吸附剂相比，基于碳的吸附剂的制备成本非常低廉。因此，可以大规模使用这种成本效益高的吸附剂来处理受BB41染料污染的水。

表8. 基于碳的吸附剂从塑料瓶中制备的运营成本估算。下载CSV

3.12. 基于废弃塑料瓶制成的碳基吸附剂的性能
PETCA对Basic Blue 41染料的最大吸附容量（qmax）与以往科学家们的研究结果进行了比较。由于表面积、孔径和功能基团的差异，不同吸附剂在各种实验条件下的BB41染料吸附效率存在差异（见表9）。吸附剂的实际应用价值不能仅凭吸附容量来判断，还需要考虑原材料的可用性、成本效益、再生潜力及整体可持续性等因素。本研究的结果表明，该技术可以在工业规模上实施，因为塑料瓶作为废弃物大量存在且无需成本。PETCA可以通过相对简单的工艺合成，从而减轻经济和环境负担，有助于塑料废物的回收利用并支持循环经济原则。这种双重效果——即去除BB41染料和减少废弃塑料瓶——增强了其整体可持续性。之后，我们可以将吸附剂污泥（如果有的话）用于生产建筑材料。因此，本研究展示了一种双赢策略：将废弃物转化为有价值的碳基吸附剂，同时实现减少废物和循环经济的目标。大多数实际废水处理系统更注重吸附剂的成本效益、可重复使用性和可获得性，而非单纯的吸附能力。PETCA的稳健性和环境优势使其适用于大规模或分散式应用，其低成本和可持续性使其具有竞争优势。通过表面功能化/改性，还可以进一步提升其吸附能力。基于成本效益、废物减少和环境可持续性，PETCA作为具有竞争力的吸附剂具有实际应用价值。

表9. PETCA与其他吸附剂的BB41染料吸附效率（qmax）比较。下载CSV

4. 结论
在本研究中，首次将来自废弃塑料瓶的PETCA作为吸附剂用于去除水中的BB41染料。Langmuir等温线模型与实验结果吻合度最高（R2 = 0.918），表明在吸附过程中BB41染料形成了单层结构；动力学参数也通过PSO模型得到良好描述（R2 > 0.977）。负的ΔH0值表明吸附过程是放热的。PETCA能够连续五次循环吸附BB41染料。与未经处理的BB41染料溶液相比，PETCA处理后的溶液有利于大麦幼苗的生长。研究显示PETCA有效去除了BB41染料。因此，基于废弃塑料瓶的绿色吸附剂PETCA是一种高效、可持续且经济可行的染料去除方法，通过将废物转化为有价值资产促进了闭环经济的发展。此外，原料的零成本供应、再生潜力及可持续性等方面也使PETCA在竞争中具有优势。总体而言，本研究不仅有助于可持续的废水处理，还为开发环境友好且成本低廉的塑料废物管理材料做出了贡献，符合循环经济的原则。未来还需要进一步研究其在多组分废水系统中的可扩展性和应用潜力。