Ba?Mg(BO?)?吸附剂的制备、表征及其对阴离子染料酸紫17的吸附性能

《Journal of the Indian Chemical Society》：Preparation, characterization and Adsorption Properties of Ba 2Mg(BO 3) 2 Adsorbent for Anionic Dye Acid Violet 17

本文通过燃烧法制备了Ba?Mg(BO?)?粉末，表征其晶体结构和表面特性，并探究其对 Acid Violet 17染料的吸附性能。最佳条件下吸附效率达92.86%，吸附遵循Freundlich等温线和伪二级动力学模型，热力学显示吸附自发且以物理吸附为主。经5次再生后吸附效率仍保持78.88%，验证了其高吸附容量（370.37 mg/g）和可重复使用性，为硼酸盐材料在废水处理中的应用提供新思路。

　　本研究聚焦于一种新型吸附材料——结晶性二钡一镁正硼酸盐（Ba?Mg(BO?)?）在去除酸性紫17（Acid Violet 17, AV 17）染料方面的潜力。随着全球纺织工业的迅速发展，合成染料的使用量不断增加，这导致了大量染料废水的排放。染料废水不仅污染水资源，还对生态环境和人类健康造成严重威胁。因此，开发高效、经济、环保的染料废水处理技术成为环境科学领域的热点研究方向。

AV 17是一种常见的阴离子偶氮染料，广泛应用于纺织、皮革、食品等工业领域。其分子结构中含有多个芳香环以及多种官能团，如羟基、氨基、氯三嗪、磺酸基和羧酸基等。这些官能团赋予了AV 17良好的水溶性和在土壤中的迁移能力，使其在环境中具有较高的稳定性和持久性。偶氮染料的这些特性使其在水体中难以自然降解，容易造成长期污染，甚至对水生生物产生致癌和致突变作用。因此，对AV 17等偶氮染料的高效去除技术研究显得尤为重要。

在众多废水处理技术中，吸附法因其操作简便、成本低廉、能耗低、安全性高以及对污染物的高效去除能力而受到广泛关注。吸附材料的选择是影响吸附效果的关键因素之一。Ba?Mg(BO?)?作为一种碱土金属硼酸盐，因其稳定的晶体结构、良好的热化学稳定性以及表面存在的阳离子位点（如Ba2?和Mg2?）而被认为是一种潜在的吸附材料。这些阳离子位点能够通过静电相互作用有效吸附阴离子染料，从而实现高效去除。此外，硼酸盐材料通常具有较低的制备成本和良好的环境兼容性，使其在实际应用中更具优势。

本研究首次将Ba?Mg(BO?)?粉末作为吸附材料用于AV 17染料的去除实验。通过燃烧合成法制备了该材料，并对其结构和表面特性进行了系统的表征。利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）等技术，确认了Ba?Mg(BO?)?的晶体结构和表面形貌。结果显示，该材料具有多孔结构和丰富的表面活性位点，这为其吸附性能提供了良好的基础。

在吸附实验中，研究者考察了多种关键因素对AV 17去除效率的影响，包括接触时间、溶液pH值、吸附剂用量、温度以及初始染料浓度。实验结果表明，在AV 17初始浓度为50 mg/L、吸附剂用量为0.75 g/L的条件下，经过180分钟的吸附，AV 17的去除效率达到了92.86%。这一结果显示出Ba?Mg(BO?)?在去除AV 17方面的显著潜力。

吸附过程的拟合分析进一步揭示了其吸附机制。实验数据与弗伦德利希等温线（Freundlich isotherm）模型的拟合度较高（R2=0.9756），表明AV 17在Ba?Mg(BO?)?表面的吸附行为更倾向于多层吸附。同时，吸附过程也符合准二级动力学模型（R2=0.99），这说明吸附速率主要受到化学反应的控制，而非单纯的物理吸附过程。准二级动力学模型通常用于描述吸附过程中化学键的形成，表明AV 17与Ba?Mg(BO?)?之间的相互作用具有一定的化学性质。

从热力学角度分析，该吸附过程被证实是自发进行的，并且具有吸热特性。计算得出的吉布斯自由能变化（ΔG?）为负值（?20 kJ/mol < ΔG? < 0），表明在标准条件下，该吸附过程能够自发进行。此外，吸附过程的正ΔH值（即吸热性）表明，随着温度的升高，吸附能力增强，进一步支持了其吸热性的结论。这些热力学参数不仅说明了吸附过程的可行性，还为实际应用中的温度控制提供了理论依据。

在吸附机制方面，研究者提出了可能的吸附途径。Ba?Mg(BO?)?表面的阳离子位点与AV 17的阴离子基团之间存在静电相互作用，这是吸附的主要驱动力之一。此外，材料表面的孔隙结构和表面官能团可能通过物理吸附和化学吸附的协同作用，进一步提高了对AV 17的去除效率。物理吸附主要依赖于范德华力，而化学吸附则涉及化学键的形成。这种双重吸附机制使得Ba?Mg(BO?)?在去除AV 17时表现出更高的吸附能力和更广的适用范围。

为了评估吸附材料的可重复使用性，研究者进行了热处理回收实验。实验结果显示，经过多次循环使用后，Ba?Mg(BO?)?的去除效率基本保持稳定，仅在第五次循环时出现了轻微下降（78.88%）。这一结果表明，该吸附材料具有良好的再生性能，能够在多次使用后仍保持较高的吸附效率。这不仅降低了处理成本，还提高了材料的经济性和环境友好性。

Ba?Mg(BO?)?的吸附容量达到370.37 mg/g，这一数值远高于许多传统吸附材料。高吸附容量意味着该材料能够在较低的用量下实现较高的去除效率，从而减少材料消耗和处理成本。此外，其吸附过程的快速动力学特性表明，该材料能够在较短时间内完成染料的去除，提高了处理效率。这些特性使得Ba?Mg(BO?)?在实际应用中具备显著优势。

从实际应用的角度来看，本研究的成果不仅拓展了硼酸盐材料在水处理领域的应用范围，还为解决染料废水污染问题提供了新的思路。传统的染料废水处理方法往往伴随着高成本、高能耗和二次污染等问题，而吸附法因其操作简便、成本低廉以及环境友好性，被认为是更为理想的解决方案。Ba?Mg(BO?)?的高吸附容量和良好的可重复使用性使其成为一种极具前景的吸附材料，特别是在处理高浓度、难降解的偶氮染料方面。

在当前的研究基础上，未来的工作可以进一步探讨Ba?Mg(BO?)?对其他类型染料的吸附性能，以及其在不同废水条件下的适用性。此外，还可以通过改性手段提升该材料的吸附能力，例如通过掺杂其他金属离子或引入功能化官能团，以增强其对特定污染物的选择性吸附能力。同时，研究该材料在实际废水处理中的稳定性、抗污染能力以及长期使用后的性能变化，对于其大规模应用具有重要意义。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，揭示了Ba?Mg(BO?)?在去除AV 17染料方面的优异性能。其高吸附容量、良好的可重复使用性以及符合环境友好原则的特性，使其在水处理领域展现出广阔的应用前景。这一研究不仅为解决偶氮染料污染问题提供了新的技术手段，也为开发新型吸附材料提供了理论支持和实践指导。随着环保意识的增强和对可持续技术的需求增加，这类材料有望在未来成为染料废水处理的重要组成部分。