用于从受污染水中去除酸性染料的工业废粉

《Heliyon》：Industrial waste powder for the removal of acid dye from contaminated water

本研究利用工业废料轻黄色石灰石粉末（LYSP）及其煅烧形式（CLYSP）吸附酸性红染料，通过优化pH（7为最佳）、吸附剂剂量（0.04g/10mL）、初始浓度（50mg/L）、接触时间（240min）和温度（40℃），发现CLYSP吸附效率更高。吸附等温模型显示Freundlich模型拟合最佳（R2=0.9866-0.9934），动力学模型表明伪二级动力学更符合（R2>0.99）。表征分析表明煅烧使材料孔隙增加，比表面积增大，且吸附剂经5次循环后性能稳定。分隔符：

　　
本研究针对工业废水中的酸红染料污染问题，提出了一种经济环保的治理方案，利用废弃的轻黄色石粉及其煅烧改性后的材料（LYSP和CLYSP）作为吸附剂。通过系统实验分析，揭示了染料去除机制、关键影响因素及材料性能优化路径，为工业废水处理提供了创新思路。

**1. 研究背景与意义**
随着纺织业快速发展，有毒染料通过工业废水进入水体的量持续增加。此类污染物不仅造成水体色度污染，还通过食物链传递引发生物毒性，威胁人类健康和生态系统平衡。传统处理方法存在成本高、效率低等缺陷，开发低成本的天然吸附材料成为研究热点。本研究聚焦于农业废弃物（轻黄色石粉）的再生利用，通过煅烧工艺优化其吸附性能，为解决水污染问题提供了可持续解决方案。

**2. 吸附剂制备与表征**
实验采用 Pakistani 农业大学的纳米生物材料实验室提供的工业废料轻黄色石粉（LYSP）为原料。首先通过酸洗、干燥、研磨和筛分获得基础吸附剂，部分材料经300℃煅烧24小时制备CLYSP。SEM图像显示，煅烧处理使材料孔隙率显著提升，形成类似海绵的多孔结构，比表面积从LYSP的8.99㎡/g增至CLYSP的14.01㎡/g。FTIR分析表明，煅烧消除了材料表面的羟基（-OH）特征峰（约3500 cm?1），证实晶体水和有机官能团的热解，同时保留Si-O（1000 cm?1）、Al-O（875 cm?1）等关键结构特征。

**3. 吸附性能优化与机制分析**
通过系统实验优化了pH（5-9）、吸附剂量（0.005-0.04 g/10 mL）、初始染料浓度（5-50 mg/L）、接触时间（15-240分钟）和温度（30-70℃）等关键参数：
- **pH效应**：中性环境（pH 7）时吸附效率达峰值（LYSP 85.41%，CLYSP 94.40%），酸性条件下表面电荷阻碍染料吸附，碱性环境则因同性相斥降低去除率。
- **剂量依赖性**：CLYSP在0.04 g/10 mL时达到94.40%去除率，此时单位质量吸附容量达77.87 mg/g，过量投加反而因颗粒团聚导致吸附位点减少。
- **浓度影响**：高初始浓度（50 mg/L）时CLYSP吸附容量提升至84.40%，表明浓度梯度促进传质过程，但需平衡处理成本与效率。
- **动力学模型**：伪二级动力学模型（R2>0.99）显示吸附速率受化学键合过程控制，平衡吸附容量（qe）与反应速率常数（K2）呈正相关。LYSP的平衡容量为77.98 mg/g，CLYSP达89.29 mg/g，表明煅烧显著增强吸附性能。
- **热力学参数**：ΔG°（-8.27至-10.05 kJ/mol）表明吸附过程高度自发；ΔH°（-12.9至-13.1 kJ/mol）显示以物理吸附为主，熵变ΔS°（-0.01至-0.007 kJ/K）表明吸附过程随机性降低，符合离子交换机制。

**4. 吸附机制与等温模型验证**
通过5种吸附等温模型（Langmuir、Freundlich、Temkin、Dubinin-Radushkevich、Harkins-Jura）的拟合发现：
- **Freundlich模型（R2=0.9866-0.9934）**最优，表明吸附位点分布不均匀且存在多层吸附。
- **Dubinin-Radushkevich模型**参数显示CLYSP的β值（1.00E-06）接近单层吸附特征，而LYSP的β值（1.00E-06）表明其更依赖分子间作用力。
- **Langmuir模型**虽显示最大吸附容量（LYSP 1250 mg/g，CLYSP 81.3 mg/g），但其R2值（0.042-0.862）明显低于Freundlich模型，说明多分子层吸附占主导。

**5. 材料稳定性与再生性能**
采用甲醇作为解吸剂，通过5次循环再生实验验证材料稳定性：
- CLYSP在循环5次后吸附容量保持率高达98.7%，优于LYSP的95.3%。
- 解吸-再生过程中未观察到晶体结构崩溃或表面官能团破坏，表明煅烧产生的多孔结构具有化学稳定性。

**6. 环境与经济效益分析**
- **资源化利用**：每吨LYSP制备成本低于0.5美元，较商业活性炭降低90%。
- **处理效率**：CLYSP在最优条件下（pH 7, 0.04 g/10 mL, 50 mg/L, 240分钟, 40℃）去除率达94.4%，优于石墨烯氧化物-钴铁纳米复合材料（41.0 mg/g）和纳米多孔铝（12.84 mg/g）。
- **规模化潜力**：实验室级吸附剂处理能力达120 m3/天，适合中小型印染厂废水处理。

**7. 技术挑战与改进方向**
- **低温限制**：吸附效率随温度升高（40℃→70℃）下降12%，需研究低温活化机制。
- **染料复杂性**：实验仅针对单一酸红染料，未来需验证其处理混合染料的能力。
- **再生剂成本**：甲醇再生虽高效，但需开发低成本水基再生方案。

**8. 应用前景与政策建议**
本研究证实，经简单煅烧处理的农业废弃物可作为高效、可持续的染料吸附材料。建议：
1. 在纺织印染园区建立LYSP收集-再生中心，实现闭路循环。
2. 将吸附工艺与生物降解结合，处理含重金属复合污染废水。
3. 推动修订《工业废水排放标准》，将天然吸附剂再生利用纳入合规管理体系。

该研究为发展中国家解决低成本废水处理难题提供了技术范式，其核心创新在于将废弃物资源化与吸附机理创新相结合，为循环经济模式下的水污染治理开辟新路径。后续研究可拓展至实际废水的中试应用，并探索与其他纳米材料的功能协同效应。