通过Button Lac生物合成氧化锌-镍纳米颗粒用于去除偶氮染料

《Journal of the Indian Chemical Society》：Biogenic Fabrication of Zinc-Nickel Oxide Nanoparticles via Button Lac for Azo Dye Removal

创新利用按钮 lac 废物合成锌镍氧化物纳米颗粒，通过 PXRD、SEM-EDX 等证实其六方纤锌矿结构，BET 测得比表面积 41.85 m2/g，孔径 17.26 nm，对阴离子结晶紫吸附效率达 98.78%，伪二级动力学模型拟合优度 0.999，循环再生 5 次后仍保持 >70% 吸附率。

　　本文探讨了一种创新且环保的方法，利用一种名为“button lac waste (BL)”的天然生物废弃物，通过共沉淀法合成双金属氧化锌-氧化镍纳米颗粒（ZnNiBL-(O) NPs）。这种纳米颗粒具有优异的吸附性能，特别适用于去除水处理中的有害染料，如结晶紫（CV）等。研究强调了BL在纳米颗粒合成中的关键作用，不仅作为还原剂和稳定剂，还通过其独特的化学组成和结构特性提升了纳米颗粒的吸附能力。

BL是由昆虫Kerria lacca分泌的一种天然树脂和生物聚合物，主要成分包括约68%的树脂、10%的基于BL的染料、6%的蜡以及其他杂质如昆虫碎片和树皮残留物。这种生物废弃物在印度每年产量超过20,000吨，广泛应用于多个行业，包括胶黏剂、清漆、水泥、电子、染料降解、制药和食品涂层等。然而，尽管BL具有广泛的工业应用潜力，其在纳米材料合成中的使用仍较为有限。近年来，越来越多的研究开始关注利用植物叶片、果皮提取物和动物提取物作为绿色合成方法，来制备过渡金属氧化物纳米颗粒（TMONPs）。本文则进一步拓展了这一研究领域，探索了BL在双金属纳米颗粒合成中的应用，并验证了其在废水处理中的高效吸附性能。

研究团队通过实验发现，BL在合成ZnNiBL-(O) NPs过程中起到了重要的还原和稳定作用。这主要是由于BL中含有多种天然的植物化学成分，如生物碱、黄酮类、类胡萝卜素和萜类化合物等，这些成分能够有效调控纳米颗粒的尺寸，防止其聚集。同时，BL的化学结构中富含羟基和羰基，这些官能团在纳米颗粒的合成过程中可以作为有效的还原剂和稳定剂，从而使得合成过程更加环保、高效且成本低廉。这种合成方法不需要使用有毒或反应性强的化学试剂，也不依赖高温高压等高能耗条件，符合当前可持续发展的需求。

为了评估ZnNiBL-(O) NPs的结构特性，研究团队采用了多种分析手段，包括粉末X射线衍射（PXRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDX）。PXRD分析表明，ZnNiBL-(O) NPs的结构与六方晶系的氧化锌（ZnO）结构相似，显示出良好的结晶度和稳定性。FTIR光谱则揭示了纳米颗粒表面存在的多种官能团，这些官能团在吸附过程中起到了重要作用。SEM-EDX分析进一步验证了纳米颗粒的形态和元素组成，确认了其表面具有丰富的孔隙结构和较高的比表面积，这为其在废水处理中的应用奠定了基础。

通过Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析，研究团队测定了ZnNiBL-(O) NPs的比表面积和孔径大小，结果表明其比表面积为41.85 m2/g，孔径大小为17.26 nm。这些数据说明了纳米颗粒具有较高的吸附能力，能够有效捕捉水中的污染物。为了进一步验证其吸附性能，研究团队对ZnNiBL-(O) NPs在去除CV染料方面的效果进行了系统评估。实验结果显示，ZnNiBL-(O) NPs在150分钟内能够达到高达98.78%的染料去除效率，这一数值远高于传统吸附材料的去除效果。此外，研究还发现，ZnNiBL-(O) NPs在五次再生循环中仍能保持超过70%的吸附效率，说明其具有良好的可重复使用性，这对于实际应用中的成本控制和资源回收具有重要意义。

在吸附过程的数学模型分析中，研究团队采用了Langmuir等温模型和伪二级动力学模型，这两个模型的拟合度分别为R2 = 0.993和R2 = 0.999，表明ZnNiBL-(O) NPs的吸附行为符合这些模型的预测。这进一步证明了纳米颗粒的吸附机制是基于单层吸附和表面反应动力学的，同时也揭示了其在实际应用中具有较高的吸附能力和稳定性。此外，研究还探讨了影响吸附效率的多种因素，包括实验时间、初始染料浓度、吸附剂用量、pH值、温度以及离子强度等。结果显示，这些因素对吸附性能有显著影响，因此在实际应用中需要对这些参数进行优化，以达到最佳的去除效果。

ZnNiBL-(O) NPs的吸附性能不仅体现在其高去除效率和良好的再生能力上，还在于其作为绿色材料的环保特性。与传统的化学合成方法相比，使用BL作为生物模板进行纳米颗粒合成，避免了对环境的污染，同时也降低了生产成本。这种绿色合成方法符合当前全球对可持续发展的追求，尤其是在水污染治理和环保材料开发方面。此外，BL作为一种天然材料，其非毒性、可生物降解和无气味的特性，使其在多种工业应用中具有更高的安全性和适应性。

研究还指出，ZnNiBL-(O) NPs在去除CV染料时表现出优异的性能，这与其独特的物理化学性质密切相关。CV是一种常见的阳离子型偶氮染料，具有较强的环境稳定性，不易被自然降解。其分子结构中含有芳香环，使得其在水体中具有较高的残留性，对水生生态系统和人类健康构成威胁。ZnNiBL-(O) NPs的高比表面积和丰富的孔隙结构，使其能够有效吸附CV分子，并通过表面反应将其从水体中去除。此外，纳米颗粒的表面电荷特性也对吸附过程产生了重要影响，Zeta电位的测定进一步验证了其表面电荷的稳定性，这有助于提高吸附效率并减少纳米颗粒在水体中的迁移。

从实际应用的角度来看，ZnNiBL-(O) NPs的高吸附效率和良好的再生能力，使其在废水处理领域具有广阔的应用前景。特别是在纺织、印染、食品加工、制药和造纸等行业中，CV等阳离子型染料的排放量较大，传统的处理方法往往存在成本高、效率低和二次污染等问题。而ZnNiBL-(O) NPs作为一种新型的绿色吸附材料，不仅能够高效去除这些有害物质，还能通过其可重复使用性降低长期运行成本。因此，该研究为解决当前水污染治理中的关键问题提供了一种可行的解决方案。

此外，ZnNiBL-(O) NPs的合成方法也为其他类型的过渡金属氧化物纳米颗粒（TMONPs）的制备提供了新的思路。与传统化学方法相比，使用生物模板进行纳米颗粒合成不仅能够减少对环境的影响，还能通过调控生物模板的化学组成和结构特性，进一步优化纳米颗粒的物理化学性能。例如，通过改变BL的浓度或合成条件，可以调控纳米颗粒的尺寸、形貌和表面特性，从而满足不同应用场景的需求。这种基于生物废弃物的绿色合成方法，为未来的纳米材料开发和环境治理提供了新的研究方向。

研究团队还指出，BL在纳米颗粒合成中的作用不仅限于作为还原剂和稳定剂，其丰富的化学组成和结构特性还可能对纳米颗粒的表面功能化产生积极影响。例如，BL中的某些官能团可能能够与金属离子发生反应，形成稳定的表面络合物，从而提高纳米颗粒的吸附能力。此外，BL的分子结构可能能够影响纳米颗粒的表面电荷分布，进而改变其在水中的分散性和吸附行为。因此，进一步研究BL与其他金属离子之间的相互作用，将有助于开发更多具有特殊功能的纳米材料。

综上所述，本文通过利用BL这一天然生物废弃物，成功合成了具有优异吸附性能的ZnNiBL-(O) NPs，并验证了其在去除CV染料方面的高效性。研究不仅展示了BL在纳米材料合成中的潜力，还为废水处理提供了一种环保、经济且高效的解决方案。未来的研究可以进一步探讨BL在其他类型的纳米颗粒合成中的应用，以及其在不同环境条件下的吸附性能变化，从而拓展其在环境治理和工业应用中的范围。此外，针对不同类型的污染物，如重金属离子和有机染料，也可以探索ZnNiBL-(O) NPs的多用途特性，提高其在实际应用中的适应性和有效性。