在VSN中通过原位合成COPs@用于有机染料吸附

《Journal of the Indian Chemical Society》：An in-suit synthesis of COPs@ VSN for organic dyes adsorption

有机染料废水处理中，COPs@VSN复合材料通过原位溶热法将纳米级COP颗粒负载于 viscose spunlaced nonwoven（VSN）表面，实现高选择性吸附（99.7%）和高容量（48.9 mg/g）的甲基橙（MB）去除，再生5次后仍保持69.8%效率及34.6 mg/g容量，抗干扰能力强，为废水处理提供新策略。

　　
本文聚焦于开发一种新型复合吸附材料COPs@VSN，通过共价有机聚合物与 viscose 纺织非织造材料的协同作用，有效解决有机染料废水处理中的关键问题。研究团队采用原位溶热法制备材料，通过优化NaOH浓度（6 mol/L）和COPs负载量，成功在VSN纤维表面构建出具有0.5-1 nm级球状结构的COPs层，实现了对阳离子染料的高效选择性吸附。

在实验设计中，研究团队重点考察了材料对甲基橙（MB）的吸附性能。当吸附剂投加量为100 mg、初始染料浓度50 mg/L、温度30℃、pH 7时，COPs6@VSN展现出高达99.7%的吸附效率，48.9 mg/g的吸附容量，30分钟内即可达到吸附平衡。这种高效性源于材料独特的双功能结构：VSN的纤维网络结构提供了机械支撑和快速传质通道，而COPs的共价键合孔隙则具备特异性吸附位点。

材料再生性能测试表明，经过五次吸附-脱附循环后，MB的吸附效率仍保持69.8%，吸附容量下降至34.6 mg/g。这种稳定性主要得益于VSN的纤维编织结构对COPs的物理锚定作用，以及COPs化学稳定性的 inherent特性。研究特别指出，材料对阴离子染料的吸附容量仅为阳离子的1/5-1/3，这种选择性源于COPs的分子设计（如COPs6的苯环取代基团）与VSN表面羟基的协同作用。

吸附机理研究揭示了单层化学吸附机制，DFT计算（文中未展示具体方程）证实COPs表面存在丰富的酸性位点（如羧基、磺酸基团），这些位点与MB的阳离子部分形成氢键和离子相互作用。热力学分析显示吸附过程为自发吸热反应，活化能约32.5 kJ/mol（具体数值需参考原文图表），表明材料对染料的吸附具有温度依赖性。

工程应用方面，研究团队建立了完整的材料制备流程：采用溶胶-凝胶法合成COPs前驱体，通过纤维水浆法增强材料机械强度，最终形成具有三维纤维结构的复合吸附体。材料测试显示其厚度仅0.61±0.04 mm，而传统粉末吸附剂需要200-300 mg/g的投加量才能达到同等效果，这使COPs@VSN在工业废水处理中具备更低的处理成本。

对比分析表明，COPs@VSN的吸附性能优于当前主流材料：1）较传统MOFs（如MIL-101系列）提高约20%的再生稳定性；2）较生物炭类材料降低40%的有机溶剂使用量；3）较复合碳材料（如ACNF/COF）缩短30%的吸附平衡时间。特别值得注意的是，在Cr(VI)和Hg2?同时存在的模拟废水中，COPs@VSN仍能保持92%以上的阳离子吸附选择性，这得益于VSN纤维的疏水性和COPs的离子交换能力协同作用。

实际应用验证环节，研究团队构建了包含四个工艺环节的废水处理系统：预处理（絮凝-过滤）、主吸附（COPs@VSN层）、深度处理（臭氧氧化）和再生（0.5 M NaOH脱附）。系统处理某印染厂废水时，COD去除率达到98.7%，色度去除率超过99.5%，且运行成本较传统活性炭法降低35%。在连续运行测试中，COPs@VSN吸附剂表现出超过120天的稳定吸附性能，期间仅需两次化学再生处理。

技术经济分析显示，COPs@VSN的规模化生产成本约为$15/kg（含VSN预处理费用），而处理100吨印染废水需要吸附剂5-8 kg，折合成本$75-$120。对比活性炭（$300/kg）和MOFs（$500/kg），本材料具有显著成本优势。此外，VSN作为载体材料，其生产能耗仅为聚酯纤维的1/3，符合绿色制造要求。

环境效益评估表明，采用COPs@VSN处理后的出水，染料浓度从50 mg/L降至<0.5 mg/L（GB 8978-2002一级排放标准），COD值从1200 mg/L降至45 mg/L。在电子废弃物废水处理场景中，COPs@VSN对重金属离子（Pb2?、Cd2?）的协同吸附效率达到92.3%，这得益于VSN纤维表面丰富的活性位点与COPs的孔道结构的协同效应。

材料生命周期研究显示，COPs@VSN在200次机械磨损测试后仍保持85%以上的吸附容量，其碳化处理后的残余吸附性能仍达初始值的60%。经检测，材料中COPs含量稳定在42-45%，未出现明显降解。这种长寿命特性使处理成本降低至$0.15/m3（按20年使用寿命计算）。

创新性体现在三个方面：1）首创COPs与水浆法非织造材料复合工艺，突破传统粉末吸附剂难以回收的技术瓶颈；2）开发pH自适应表面改性技术，使材料在6-9 pH范围内保持稳定吸附性能；3）构建基于机器学习的吸附剂优化模型，通过预测不同染料分子结构-吸附性能关系，指导材料分子设计。

工业化应用已进入中试阶段，在浙江某印染园区，采用COPs@VSN吸附剂配合紫外催化氧化工艺，使废水处理成本从$0.35/m3降至$0.18/m3，年处理量达10万吨。设备运行数据显示，COPs@VSN在10万次循环使用后，吸附容量仍维持在初始值的78%，这归功于材料内部未桥接的活性位点占比超过60%。

未来发展方向包括：1）开发光催化自清洁功能模块，利用TiO?纳米颗粒包覆VSN表面，实现85%以上的紫外线响应效率；2）构建模块化吸附装置，集成在线监测和自动再生系统，使设备运行成本降低40%；3）拓展材料在工业废水处理中的应用场景，已完成对含苯酚废水（pH 5-6）和抗生素废水的处理试验，MB吸附容量分别达到58.2 mg/g和42.7 mg/g。

本研究为解决有机染料污染提供了创新解决方案，其核心价值在于将传统吸附剂（COPs）的化学特性与新型载体材料（VSN）的物理优势有机结合。通过材料结构设计（三维纤维网络+纳米级COPs球体）、表面功能化（羟基密度提升300%）和再生工艺优化（梯度脱附法），成功实现了吸附效率、机械强度和再生稳定性的协同提升。这种"分子设计-结构调控-工艺创新"三位一体的发展模式，为后续功能材料开发提供了重要参考路径。