抗氧化剂姜黄素对废水中溴百里酚蓝和酮溴百里酚蓝的吸附去除：热力学评估、动力学及等温线建模研究

《BMC Chemistry》：Adsorptive-removal of bromothymol blue & keto-bromothymol blue from wastewater using antioxidant curcumin: thermodynamic assessment, kinetic and isotherm modeling

为解决染料废水污染问题，研究人员开展了利用姜黄素（CUR）吸附去除溴百里酚蓝（BTB）和酮溴百里酚蓝（KBTB）的研究。结果表明，CUR 对 KBTB 去除率达 90%，对 BTB 为 43%。该研究为废水处理提供新途径。

　　在当今时代，随着染料行业的迅猛发展，大量染料废水不断排入水体，这犹如一颗 “定时炸弹”，严重威胁着人类健康和自然环境。工业生产过程中产生的这些废水，成分复杂多变，含有各种合成染料，如甲基橙、溴百里酚蓝（BTB）等。这些染料不仅难以自然降解，还可能在环境中积累，进一步加剧污染程度。为了应对这一严峻挑战，寻找高效、低成本且环保的染料废水处理方法迫在眉睫。

在此背景下，来自埃及新谷大学（New Valley University）化学系的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们将目光聚焦于姜黄素（CUR），这种源自姜黄的天然色素，不仅在食品、化妆品和医药领域有着广泛应用，还因其独特的分子结构，被认为具有作为吸附剂去除水中污染物的潜力。研究人员以姜黄素为吸附剂，对废水中的溴百里酚蓝和酮溴百里酚蓝（KBTB）进行吸附去除研究，并对吸附过程进行热力学评估，构建动力学和等温线模型。该研究成果发表在《BMC Chemistry》杂志上，为染料废水处理提供了新的思路和方法。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。首先，使用自动扫描双光束 Perkin Elmer Lambda 750 紫外 - 可见分光光度计，在 430nm 波长下测量吸光度，以此来确定染料浓度。其次，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，分析姜黄素与染料结合前后的化学结构变化；通过扫描电子显微镜（SEM）观察姜黄素吸附染料前后的表面形态。这些技术手段为研究吸附过程提供了有力的支持。

研究结果主要从以下几个方面展开：

1. 吸附剂表征：
   • FTIR 分析：吸附前，姜黄素在约 3425cm^-1处的宽吸收带被认为是羟基（-OH）的伸缩振动频率，1624cm^-1处的中等强度吸收带代表羰基的伸缩振动。吸附后，CUR - BTB 和 CUR - KBTB 的 FTIR 光谱发生显著变化，表明姜黄素与染料之间发生了化学作用。
   • SEM 分析：SEM 图像显示，姜黄素表面结构不均匀且存在许多孔隙，这些孔隙可作为吸附位点。吸附后，姜黄素表面形成了 BTB 和 KBTB 材料涂层，其微观结构也因与吸附质的物理和化学相互作用而改变。
   
   
2. BTB 在最大波长 430nm 处的去除效果影响因素：
   • 起始 BTB 浓度和 CUR 用量：在一定范围内，随着 BTB 和 KBTB 浓度增加，吸附容量平衡先升高后降低，去除效率先升高后下降，分别达到 45% 和 94% 的最大值。而随着 CUR 用量增加，BTB 和 KBTB 的吸附容量下降，但去除效率上升，分别达到 43% 和 90% 的最大值。
   • 时间变化：在 5 - 40min 内，BTB 和 KBTB 的吸附容量和去除效率逐渐增加，达到平衡后保持稳定，BTB 的最高吸附容量为 1.69×10^-4mg/g，去除效率为 43%；KBTB 的最高吸附容量为 7.24×10^-4mg/g，去除效率为 90%。
   • 温度变化：当温度从 25℃升高到 55℃时，染料的吸附容量和去除效率同时降低，在 298K 时，BTB 的去除率和吸附容量达到最大值，分别为 43% 和 1.69×10^-4。
   
   
3. 吸附等温线：采用 Freundlich 和 Langmuir 模型计算吸附容量及其他常数。结果发现，BTB 和 KBTB 的吸附过程更符合 Langmuir 等温线模型，表明吸附为单层覆盖且吸附剂表面活性分布均匀。同时，Freundlich 模型中的常数也反映了系统的吸附强度和容量。
4. 吸附动力学：实验数据拟合结果显示，BTB 和 KBTB 的去除过程符合一级动力学模型，相关系数分别为 0.97 和 0.98，这表明化学吸附是速率控制步骤。此外，颗粒内扩散实验数据表明，BTB 和 KBTB 的吸附过程涉及多个步骤。
5. 吸附热力学：对于 BTB 吸附到姜黄素的过程，计算得到的热力学参数显示，ΔH° 为 - 54.216kJ/mol，表明该吸附反应是放热的；ΔG° 为 + 49.65kJ/mol，说明吸附过程是非自发的；ΔS° 为 - 166.78J/mol?K，体现了姜黄素对 BTB 染料的非亲和性。
6. 吸附机制推测：基于吸附动力学、等温线模型和热力学结果，推测 BTB 和 KBTB 与姜黄素之间的化学相互作用在吸附过程中起重要作用。吸附可能通过 π - π 相互作用以及 BTB 和 KBTB 分子中的羟基、S = O 基团的氧原子与姜黄素的羟基、羰基的氧原子之间形成的氢键来实现。

在研究结论和讨论部分，研究表明姜黄素作为吸附剂对 BTB 和 KBTB 的去除具有一定效果，且吸附过程受接触时间、吸附剂用量和染料浓度等因素影响。姜黄素对 KBTB 的去除效率高达 90%，而对 BTB 的去除效率为 43%，这可能与 KBTB 分子中的羰基（C = O）有关，该基团增强了吸附效果。姜黄素吸附 BTB 和 KBTB 的过程符合一级动力学模型，吸附平衡数据与 Langmuir 和 Freundlich 模型拟合良好，表明染料分子在姜黄素外表面呈单层覆盖。此外，温度升高会降低 BTB 的吸附能力和去除率。该研究不仅为理解姜黄素对染料的吸附过程提供了理论依据，也为开发更高效的废水处理方法奠定了基础，有望在实际废水处理中得到应用，对解决染料废水污染问题具有重要的现实意义。