一步法水热改性酒糟制备羟基/胺基双功能吸附剂及其对工业染料的高效去除机制研究

推荐：本研究针对酒糟(DG)资源化利用和印染废水处理难题，创新性地采用一步水热法结合聚乙烯亚胺(PEI)-戊二醛交联策略，成功构建了兼具介孔结构和表面活性位点的"羟基-质子化氨基"双功能吸附网络。所制DG-PEI0.1对刚果红(CR)展现出3039 mg/g的超高吸附容量和99.76%的去除率，在宽pH范围(3-9)、高盐度和腐殖酸存在条件下均保持优异性能，为农业废弃物高值化利用和工业废水处理提供了新范式。

　　

随着中国白酒产业的快速发展，每年产生约450万吨酒糟(DG)副产品，传统填埋处理会引发土壤酸化、微生物群落破坏等环境问题。同时，纺织工业排放的含刚果红(CR)等偶氮染料废水具有强致癌性和生物累积性，常规处理方法存在效率低、成本高等瓶颈。如何实现酒糟废弃物高值化利用并开发高效染料吸附剂，成为环境与材料科学领域亟待解决的关键问题。

贵州工程应用学院化学工程学院的研究团队创新性地将酿酒副产物酒糟与聚合物交联技术相结合，通过"化学改性-结构调控-功能集成"一体化路径，开发出具有超高吸附性能的DG-PEI_0.1复合材料。该研究通过一步水热法实现聚乙烯亚胺(PEI)在酒糟基质上的高效接枝改性，构建了"羟基(-OH)/质子化氨基(-NH₃⁺)"双功能吸附网络，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》期刊上。

研究人员采用多维度表征技术揭示材料特性：通过FTIR和XPS分析化学结构演变，SEM-EDS观察微观形貌，XRD测定晶体结构，BET分析比表面积和孔径分布。吸附实验系统考察了pH值、离子强度、温度等因素的影响，结合等温吸附模型、动力学模型和热力学分析阐明作用机制。

研究结果揭示：材料表征显示DG-PEI_0.1具有8.4354 nm的平均孔径和4.8078 m²/g的比表面积，XPS证实表面存在38.01%的质子化氨基(-NH₃⁺)。吸附性能方面，在pH=6.5、投加量0.1 g/L条件下，对CR的最大吸附量达3039 mg/g，显著优于多数农业废弃物基吸附剂。Sips模型(R²=0.992)表明吸附过程同时包含单层吸附和表面异质性特征，伪二级动力学模型(R²=0.997)证实化学吸附主导。材料在pH 3-9范围内保持>96%的去除率，10 mmol/L共存离子仅引起<3%的容量衰减，三次再生后效率仍保持98%以上。

作用机制分析表明：静电吸引(-NH₃⁺与-SO₃^-的库仑作用)、氢键(羟基与CR的N-H)和π-π堆积(木质素芳环与CR偶氮基团)构成协同吸附网络。FTIR显示CR吸附后-N=N-振动峰从1653 cm^-1红移至1632 cm^-1，XPS证实C1s结合能发生0.36 eV位移，均验证了强相互作用。热力学参数(ΔH=28.31 kJ/mol，ΔS=0.16 kJ/(mol·K))表明吸附为吸热自发过程。

该研究实现了酒糟废弃物向高效吸附剂的绿色转化，建立了"废物-资源"的循环经济新模式。所开发的DG-PEI_0.1具有制备简便(成本约5美元/kg)、吸附容量大(较传统材料提升3-10倍)、环境适应性强等优势，为工业染料废水处理提供了经济高效的解决方案。未来研究可进一步优化交联工艺提升机械稳定性，并拓展至其他阴离子污染物(如重金属、药物残留)的去除应用，推动农业废弃物基功能材料的产业化进程。