工业废料黄石粉吸附法去除水体中酸性染料的效能与机制研究

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

本研究针对水体中酸性染料污染问题，探讨了利用工业废料黄石粉（LYSP）及其煅烧改性产物（CLYSP）作为吸附剂的可行性。通过系统优化pH、吸附剂剂量、初始浓度、接触时间和温度等参数，发现CLYSP在pH=7、40°C条件下对酸性红染料的最高去除率达87.27 mg/g。吸附过程符合Freundlich等温模型（R2>0.99）和准二级动力学模型，表明为多层化学吸附机制。表征结果显示煅烧使材料形成海绵状多孔结构（BET比表面积增至14.01 m2/g），且吸附剂可重复使用5次而无明显性能衰减，为工业废水处理提供了低成本解决方案。

　　

随着纺织、印染等工业的快速发展，大量含有合成染料的废水被排入水体，对生态系统和人类健康构成严重威胁。酸性染料作为典型的有机污染物，不仅降低水体透光性影响水生植物光合作用，还会在生物体内代谢产生致癌物质。传统的水处理方法面临成本高、效率低等挑战，因此开发经济高效的吸附材料成为环境领域的研究热点。

在这项发表于《Heliyon》的研究中，巴基斯坦农业大学的Rabia Shaheen和Muhammad Asif Hanif教授团队另辟蹊径，将目光投向工业废弃物——浅黄色石粉（Light Yellow Stone Powder, LYSP）。这种通常被丢弃的废料，经过简单煅烧处理后，竟能变身成为高效吸附剂，为酸性染料污染治理提供了新思路。

研究团队采用的主要技术方法包括：通过批次吸附实验系统评估工艺参数（pH 5-9、吸附剂量0.005-0.04 g、染料浓度5-100 mg/L等）；利用Langmuir、Freundlich等五种等温模型和两种动力学模型分析吸附机制；采用扫描电镜（SEM）、比表面积分析（BET）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对材料进行表征；通过原子吸收光谱检测重金属溶出情况。

吸附性能优化研究

通过系统实验发现，中性条件（pH=7）最有利于染料去除，LYSP和CLYSP的去除率分别达到85.41%和87.27%。当吸附剂剂量从0.005 g/10 mL增加至0.04 g/10 mL时，去除率显著提升至94%以上，这归因于可用吸附表面积的增加。在初始染料浓度优化实验中，CLYSP表现出更优异的处理能力，在50 mg/L浓度下去除率仍保持84.40%。时间动力学研究表明，240分钟接触时间可实现吸附平衡，而40°C被确定为最佳操作温度。

吸附机制与模型拟合

五种等温模型中，Freundlich模型（R²>0.98）最能准确描述吸附过程，表明染料分子在吸附剂表面呈多层不均匀分布。动力学分析显示准二级模型（R²>0.98）优于准一级模型，证实化学吸附为速率控制步骤。热力学参数ΔG°为负值（-8.27至-10.05 kJ/mol），证明吸附过程的自发性；负的ΔH°值（-13.12 kJ/mol）则指示物理吸附为主导机制。

材料表征与稳定性分析

SEM图像清晰显示，煅烧使LYSP从致密结构转变为高度多孔的海绵状形态，BET测定证实CLYSP的微孔面积（14.01 m²/g）显著高于原始材料（8.99 m²/g）。FTIR光谱中3500 cm^-1处-OH伸缩振动的消失，证实煅烧过程去除了材料中的结晶水。重金属溶出检测显示Cd、Cr、Cu等离子浓度远低于允许限值，证明材料的环境安全性。循环实验表明，经过5次吸附-解吸循环后，两种吸附剂仍保持90%以上的原始性能。

该研究成功验证了工业废料黄石粉作为低成本吸附剂处理酸性染料废水的可行性。煅烧改性显著提升了材料的吸附性能，使其对酸性红染料的吸附容量（87.27 mg/g）优于许多传统材料。研究阐明的Freundlich等温吸附机制和准二级动力学特征，为类似吸附体系的设计提供了理论依据。更重要的是，这种"以废治废"的策略不仅降低了废水处理成本，还为工业固体废弃物的资源化利用开辟了新途径，对推动可持续水环境治理具有重要意义。