食品级藻类温和磺化处理高效去除甲基紫与亚甲蓝染料的统计建模及优化研究

本研究针对工业废水中难降解的甲基紫(MV)和亚甲蓝(MB)染料的污染问题，通过温和磺化改性食品级藻类(FGA)制备新型生物吸附剂(S-FGA)，采用Box-Behnken设计优化吸附条件，实现MV(94.9%)和MB(74%)的高效去除。该工作为开发低成本、可持续的水处理技术提供了新思路，其Langmuir模型揭示的吸附容量分别达224.6 mg/g(MV)和406.1 mg/g(MB)，具有显著环境应用价值。

　　

研究背景

合成染料污染已成为全球水环境治理的严峻挑战。甲基紫(MV)和亚甲蓝(MB)作为典型的阳离子染料，因其致癌性、生物累积性和化学稳定性，对生态系统和人类健康构成多重威胁。传统处理方法如膜过滤和光催化降解存在成本高、二次污染等问题，而基于生物质的吸附技术因其经济环保特性备受关注。藻类生物质虽具有丰富的功能基团(-NH₂, -OH等)，但天然结构吸附效能有限，亟需通过化学改性提升性能。

研究方法

马来西亚玛拉工业大学的研究团队开发了温和磺化工艺：将食品级藻类(FGA)在1 M H₂SO₄中100℃水热活化4小时，制备磺化藻类(S-FGA)。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜-能谱(SEM-EDX)表征材料特性，采用Box-Behnken设计(BBD)优化吸附参数（剂量0.02-0.1 g/100mL、pH 4-10、时间10-120分钟），并运用伪二级动力学(PSO)和Freundlich等温线模型分析吸附机制。

研究结果

Biosorption performance of FGA and S-FGA
磺化使MV和MB去除率分别提升18.9%和15.2%，证实-SO₃H基团的引入显著增强静电吸附能力。

Optimization via BBD
响应面分析显示：MV最佳条件为0.09 g/100mL剂量、pH 8.2、119分钟；MB则为相同剂量、pH 9.5、109分钟，验证了染料结构差异对吸附参数的敏感性。

Kinetic and isotherm studies
伪二级动力学(R²>0.99)表明化学吸附主导过程，Freundlich模型提示多层吸附特征。Langmuir最大吸附量达406.1 mg/g(MB)，显著高于多数文献报道值。

Thermodynamic analysis
ΔG°<0(-18.6至-21.3 kJ/mol)、ΔH°<0(-40.1至-52.8 kJ/mol)证实自发放热过程，ΔS°负值(-0.11至-0.15 kJ/mol·K)反映界面有序性增强。

结论与意义

该研究创新性地通过温和磺化构建了具有高密度负电位的藻基吸附剂，其Yoshida氢键与静电协同作用机制为阳离子染料去除提供了新策略。发表于《Algal Research》的成果不仅证实S-FGA在真实废水处理中的潜力，更为生物质资源化利用开辟了绿色化学路径。特别是将工业藻类副产品转化为高值吸附材料，实现了"以废治污"的循环经济理念，对发展中国家水处理技术升级具有示范意义。