利用天然突尼斯黏土作为低成本吸附剂，降低实际纺织废水中的COD（化学需氧量）水平

《Results in Chemistry》：Reduction of COD level in real textile effluent using natural Tunisian clay as a low-cost adsorbent

未处理的本地自然黏土（NC）可有效去除纺织废水中的化学需氧量（COD），最佳条件为0.5 g/L黏土剂量、pH 7.4和180分钟接触时间，COD去除率达66%，吸附动力学符合伪一级模型，等温线模型最佳拟合为Sips模型，验证了NC作为低成本环保吸附剂在废水处理中的潜力。

　　在当前全球环境问题日益突出的背景下，纺织工业所产生的废水因其高污染负荷和复杂的污染物成分，成为水体污染的重要来源之一。这些废水通常含有大量有机和无机污染物，包括高化学需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）、悬浮固体、盐分、表面活性剂以及多种有毒化学物质，如合成染料、酸碱和重金属等。由于合成染料的结构复杂且具有较强的化学稳定性，它们在传统生物处理和化学处理中往往难以有效去除，因此对高效、低成本且环保的废水处理技术的需求变得尤为迫切。本研究聚焦于一种天然的、未经处理的本地黏土材料——来自突尼斯南部加贝斯地区的未处理天然黏土（NC），探索其在纺织废水处理中的应用潜力。

### 研究背景与意义

纺织废水的处理不仅关乎环境质量，还直接关系到工业可持续发展和水资源的循环利用。传统的废水处理方法通常涉及复杂的化学反应、高能耗的物理过程或昂贵的生物处理技术，而这些方法往往伴随着二次污染或高昂的运行成本。相比之下，吸附法因其操作简便、能耗低以及对多种污染物的广泛适用性，成为近年来备受关注的处理技术之一。天然黏土作为一种自然资源，因其丰富的孔隙结构、较高的比表面积以及表面官能团的存在，被广泛研究用于吸附各种污染物。然而，多数研究依赖于实验室条件下的模型污染物或合成染料，未能充分反映实际工业废水的复杂性。

本研究旨在填补这一空白，通过使用未经化学处理的本地黏土，评估其在真实纺织废水处理中的应用效果。研究结果表明，这种黏土在无需任何预处理或再生的情况下，能够有效去除COD，使其从初始的1145 mgO?/L降至390 mgO?/L，去除率高达66%。这种高效的吸附性能，加上黏土的低成本和可得性，使其成为一种极具潜力的环境友好型吸附材料，尤其是在基础设施不完善的地区。

### 材料与方法

本研究选用来自突尼斯加贝斯地区的天然黏土，该地区的黏土资源丰富，且具有良好的物理和化学特性。为了提高吸附性能，研究者首先对黏土进行了物理和化学特性分析，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、比表面积和孔隙度（BET）以及点零电荷（pHzpc）的测定。这些分析手段有助于揭示黏土的微观结构和表面特性，从而为后续的吸附实验提供理论依据。

在吸附实验中，研究者采用批次吸附法，通过改变吸附剂的用量、接触时间和pH值，评估黏土对COD的去除效果。实验过程中，废水样本在室温下与不同浓度的黏土接触，每隔一定时间取样测定残留的COD含量。通过这些实验，研究者确定了最佳的吸附条件：黏土用量为0.5 g/L，接触时间为180分钟，pH值为7.4。这些参数的优化不仅有助于提高处理效率，也降低了能耗和操作复杂性。

为了进一步理解吸附过程的机理，研究者对吸附动力学和扩散机制进行了深入分析。他们使用伪一阶（PFO）和伪二阶（PSO）动力学模型来描述吸附速率，并结合内部扩散（IPD）和外部扩散（FD）模型，探讨污染物如何从溶液中迁移至黏土表面并进入其内部结构。此外，吸附等温线模型（如Langmuir、Freundlich和Sips模型）被用于评估吸附过程的平衡状态和吸附能力。

### 实验结果与分析

实验结果表明，黏土的吸附能力与其物理结构密切相关。SEM图像显示，黏土具有不规则且多孔的形态，这种结构有助于污染物的快速迁移和吸附。XRD分析进一步揭示了黏土的主要矿物成分，包括伊利石、高岭石和石英等，这些成分共同构成了黏土的吸附性能基础。pHzpc测定结果为7.68，表明在该pH条件下，黏土表面电荷接近中性，从而对污染物的吸附能力表现出良好的适应性。

BET分析结果显示，黏土的比表面积为23.18 m2/g，孔隙体积为0.0595 cm3/g，孔径为10.32 ?。这些参数表明，黏土具有足够的表面积和孔隙结构，能够有效吸附废水中的有机污染物。此外，吸附动力学实验表明，吸附过程符合伪一阶动力学模型，且受外部扩散和内部扩散的双重控制。这意味着污染物首先通过外部扩散到达黏土表面，随后进入其内部孔隙结构，最终被吸附在活性位点上。

在吸附等温线分析中，Sips模型被证明比Langmuir和Freundlich模型更适合描述黏土对COD的吸附行为。Sips模型的高拟合度（R2=0.998）和较低的误差值（χ2=0.997，SSE=245.35）表明，吸附过程发生在异质表面上，不同吸附位点对污染物的吸附能力存在差异。此外，Sips模型预测的吸附容量（qmax=776 mg/g）远高于Langmuir模型的预测值（qmax=265 mg/g），进一步说明了黏土的高效吸附性能。

### 讨论与意义

本研究的发现具有重要的环境和工程应用价值。首先，使用未经处理的本地黏土作为吸附剂，避免了化学预处理和再生过程，从而降低了整体成本和复杂性。这种处理方式特别适用于资源有限但黏土资源丰富的地区，为可持续的废水处理提供了可行的解决方案。其次，黏土的高吸附容量和良好的适用性，使其在处理高COD含量的纺织废水中表现出色。此外，吸附过程的双重控制机制（外部扩散和内部扩散）表明，黏土的吸附性能不仅依赖于表面特性，还与其内部结构密切相关，这为未来研究黏土的微观结构优化提供了方向。

从生态角度来看，天然黏土作为一种可再生资源，其使用符合绿色化学和可持续发展的原则。相较于传统的化学处理方法，吸附法能够减少有害副产物的产生，降低对环境的二次污染。此外，黏土的吸附能力不受pH变化的显著影响，这意味着其可以在自然pH条件下直接使用，无需额外的pH调节步骤，进一步简化了处理流程。

### 未来展望

尽管本研究展示了未处理天然黏土在纺织废水处理中的潜力，但仍有一些问题需要进一步探索。例如，黏土的吸附性能在长期使用后的变化情况，以及其在不同水质条件下的适用性。此外，黏土的再生和重复使用能力也是未来研究的重要方向，因为这将直接影响其经济性和可持续性。研究者还可以探索将黏土与其他材料（如纳米材料或光催化剂）结合，以开发具有更高吸附能力和更广适用范围的复合吸附材料。

从实际应用的角度来看，本研究的成果可以为纺织工业提供一种经济高效的废水处理方案。特别是在基础设施不足的地区，这种处理方式可以显著降低运营成本，同时确保废水达标排放。未来，研究者可以将该技术推广至更大规模的试验中，验证其在实际工业废水处理中的可行性，并进一步优化处理参数，以提高整体效率。

### 结论

综上所述，本研究验证了未处理天然黏土在纺织废水处理中的应用潜力。通过系统的物理和化学特性分析，以及吸附动力学和等温线模型的建立，研究者揭示了黏土对COD的有效去除机制。实验结果表明，黏土在最佳条件下能够实现66%的COD去除率，且其吸附能力表现出较高的稳定性和适应性。这一发现不仅为纺织废水处理提供了一种新的环保解决方案，也为未来研究天然吸附材料在其他污染物去除中的应用奠定了基础。随着对天然材料研究的不断深入，我们有望在更广泛的环境治理领域找到更多高效、低成本的替代方案。