红泥改性咖啡渣生物炭增强阴离子偶氮染料吸附的机理研究

本研究针对工业废水中的阴离子偶氮染料（SYF和MO）污染问题，通过红泥（RM）预处理提升咖啡渣生物炭（RCGB）的吸附性能。结果表明，RM@RCGB的比表面积提升至160.1 m2/g，Si-O配体相互作用显著增强染料吸附能力（SYF Qe=15.64 mg/g，MO Qe=16.88 mg/g），并通过NaOH再生实现39.2%以上的循环效率，为低成本废水处理提供新策略。

　　

随着工业化和城市化进程加速，食品、纺织等行业排放的合成染料对水体生态系统造成严重威胁。其中，阴离子偶氮染料（如日落黄FCF（SYF）和甲基橙（MO））因含稳定的-N=N-基团，难以通过常规水处理工艺降解，且具有致癌性和生态毒性。尽管膜分离、氧化和电化学技术可用于染料去除，但存在高成本或二次污染问题。吸附法因其操作简便、高效而备受关注，但传统活性炭材料存在再生困难等局限。咖啡渣生物炭（RCGB）虽富含孔隙和官能团，但原始比表面积仅1.5 m²/g，对阴离子染料吸附能力不足。为此，Taeha Kim团队提出利用铝工业废料红泥（RM）中的Si、Al、Fe组分改性RCGB，系统探究其吸附增强机制及实际应用潜力。相关成果发表于《Desalination and Water Treatment》。

研究采用酸处理结合高温热解（800°C，N₂氛围）制备RM@RCGB，通过FE-SEM-EDX、XRD、FTIR和XPS表征材料理化性质，结合动力学、等温线和热力学实验分析吸附行为，并评估NaOH、EDTA和EtOH的脱附再生效率。

材料表征结果显示：RM预处理使RCGB比表面积提升106倍（160.1 m²/g），Si含量增至6.2 wt%，表面形成SiO₂、Fe₂O₃和Al_4.52Si_1.48O_9.74晶体（XRD）。XPS证实Si-O（103.2 eV）和Fe-O（711.5 eV）键的存在，FTIR检测到1105 cm^-1处Si-O伸缩振动峰。

吸附性能方面，RM@RCGB对SYF和MO的吸附量分别达15.64 mg/g和16.88 mg/g，是原始RCGB的42倍和30倍。伪二级动力学模型（R²>0.967）和Langmuir等温线（R²>0.950）表明化学吸附主导过程。液膜扩散阶段速率常数（k_IPD,1）高达19.793 g·mg^-1·h^-0.5，是控速步骤。pH 3.0时吸附效率最高（SYF 97.6%），因质子化表面减弱静电排斥。

机理分析通过EDX-mapping和XPS揭示：RCGB依赖孔隙填充效应，而RM@RCGB通过Si-O配体交换吸附染料，MO因更高疏水性（Log D=1.3）表现出更强结合力。再生实验中，0.1 M NaOH使RM@RCGB经4次循环后仍保持47.0% MO吸附容量，优于EDTA和EtOH。

该研究创新性地利用工业废料RM提升生物炭性能，阐明Si-O相互作用在阴离子染料去除中的关键作用，为开发低成本、可持续的水处理材料提供理论依据。未来可进一步优化RM负载比例，探索实际废水中的竞争吸附行为，推动工程化应用。