SA/MWCNTs复合材料对染料废水中MB和MO的吸附性能研究

快速的工业化导致了含染料工业废水的大量增加。染料排放到水流中对人类健康和环境产生了负面影响。几项研究报告称，接触和消化染料会导致多种健康问题，如眼睛灼伤、癌症、皮肤刺激、恶心和皮炎等^[1]染料由于其复杂的结构而积聚在水中，从而抑制了阳光的渗透，从而延缓了光合作用的发生。因此，去除废水中的有毒染料具有重要意义。吸附法被认为是一种很有前途的水修复方法，主要是因为它具有易于设计和操作、成本低等优点。在这方面，已采用各种材料作为吸附剂，其中包括农业废弃物、活性炭、纳米管和石墨烯^[2-4]。

然而，上述材料的部分吸附能力、可重复利用性差、产生污泥量大、运行成本高、不可生物降解性等限制了其使用。开发高效、可持续和廉价的材料来吸附水中的水生污染物是非常具有挑战性的，也是水污染处理的必要条件。因此，对于新型、高效吸附材料的研究就具有重要意义。在广泛用于废水中污染物吸附的吸附剂中，纳米复合材料被证明是一种很有前途的吸附剂^[5]。特别是含多壁碳纳米管（MWCNTs）的纳米复合材料，由于其高比表面积和发达孔隙结构决定了其具有优良的吸附能力和解吸附能力，是一种吸附性能优越的吸附剂，这是由于其物理化学性质，如可调结构、高孔隙度、膨胀能力、快速吸附速率、恢复能力和可重复使用。而且可以通过解吸再生循环使用，所以其在未来的废水处理中，存在较大的潜力。但目前人们对MWCNTs复合材料的吸附性能及其吸附机理的研究还有待深入，其应用潜力也尚未被充分发掘。

因此，我们拟制备一种海藻酸钠/多壁碳纳米管（SA/MWCNTs）纳米复合材料，用于吸附水溶液中亚甲基蓝(MB）和甲基橙(MO)。拟通过考察吸附过程中初始pH、吸附剂量、接触时间和浓度等关键参数的影响，比较MWCNTs和功能化SA/MWCNTs对染料的吸附能力。并进一步研究其吸附动力学和热力学过程，揭示其吸附机理。该项目将为制备纳米吸附剂提供一种环保和低成本的替代方法，具有实际意义。

1、吸附剂海藻酸钠-多壁碳纳米管（SA/MWCNTs）复合材料的制备。按不同质量比例配置SA和MWCNTs的水溶液，超声分散，得到水中可分散的SA/MWCNTs分散液；减压过滤、烘干后得到水中可分散的吸附剂SA/MWCNTs复合材料；

2、水中亚甲基蓝(MB）的吸附研究。以SA/MWCNTs为吸附剂，考察吸附剂用量、标样水中含MB浓度、溶液pH值和吸附时间等因素对分析结果的影响。建立以SA/MWCNTs为吸附剂结合分光光度法测定标样水中MB残留量的分析方法。

3、水中甲基橙(MO)的吸附研究。以SA/MWCNTs为吸附剂，通过考察吸附剂用量、标样水中含MO浓度、溶液pH值和吸附时间等因素对MO回收率的影响，建立以SA/MWCNTs为吸附剂结合分光光度法测定样品水中MO残留量的分析方法。

4、结合SA/MWCNTs吸附剂对标样水中MB和MO的吸附情况，获得最佳吸附条件，筛选出最佳吸附条件。并将其应用于校园实验楼饮用水、校园人工湖、黎明湖、滨州湖、乙烯化工厂区废水及饮用水等环境水中MB和MO吸附与检测。

5、尝试从机理层面上探究吸附剂吸附吸附机理及吸附规律，为新型碳纳米碳材料在环境水处理中的选择和应用提供理论依据。

目前治理水污染的方法主要有沉淀去污法（物理和化学）、氧化还原去污法、光催化降解去污法、膜过滤去污法、电解和吸附去污法等。吸附去污法具有操作简便易行、成本费用较低、对待吸附的污染物质有较强的选择性、吸附量大和吸附材料可重复利用等优势，因而该法使用广泛。目前的吸附剂有键合硅胶吸附剂、纳米材料吸附剂、聚合物吸附剂、分子印迹吸附剂、磁性吸附剂等，在此基础上提高吸附效率和提高吸附选择性性成为开发新型复合吸附剂的热点问题。

海藻酸钠（Sodium alginate，SA）作为一种低成本可生物降解的天然多糖，具有优良的生物相容性、无毒性、亲水性、成膜性、稳定性等优异特性，因其本身结构所具备亲水羟基和羧基官能团，这有利于提高其吸附水中的污染物质^[6]。董开强等通过调控各种共混原料和活性官能团的比例制备出了三种海藻酸钠基复合材料，并分别研究了各材料对水中有机污染物亚甲基蓝(MB)、刚果红(CR)和重金属离子Cr(VI)的吸附性能，结果表明吸附材料的结构是影响选择性吸附污染物的重要因素之一^[7]。Gao etal综述了海藻酸钠作为吸附剂对水中各种污染物的吸附进展，并从不同角度揭示了其吸附机理，进一步给出了根据不同的污染物来选择吸附的依据，具有一定的指导意义^[8]。

MWCNTs材料具有稳定的物理化学性质、高比表面积、优异的孔隙率、中空和层状结构、大量的内外吸附位点、π共轭结构以及易于化学活化和功能化等特点，具有优异的吸附性能。广泛的机械、物理和化学方法已被用于碳纳米管的改性或功能化，以增强其一般吸附性能或使其对某些类别的污染物具有选择性，是一种具有较强吸附性能的新型纳米材料。对有机化合物、有机金属化合物及金属离子等具有较高的富集能力，其作为吸附剂具有良好的应用前景，尤其在环境水净化方面应用广泛。根据不同的吸附条件和所涉及的功能化，碳纳米管吸附剂可以通过不同的机制与无机污染物相互作用，如表面络合、静电相互作用、离子交换、物理吸附和沉淀。对于有机污染物，除物理吸附外，π-π和静电相互作用在吸附中起主要作用。在某些情况下，有机物和碳纳米管之间的化学键也被报道为相互作用的机制^[9]。据此，杨家萍等通过强氧化剂氧化改性MWCNTs制备了复合吸附材料，发现该材料对甲基橙(MO)染料有较好的吸附性能，通过考察吸附时间、染料初始浓度和离子强度等因素对吸附的影响，发现该吸附过程符合拟二级动力学模型和Langmuir等温线模型^[10]。刘剑利用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠对MWCNTs进行分散，得到水中可分散的吸附材料，然后对含酸性嫩黄G的染料废水进行处理，发现分散后的MWCNTs对染料的吸附性能可提升15%左右^[11]。

纳米材料的表面性质，其中最重要的是表面官能团的性质和多少将影响其吸附效率。由于海藻酸钠（SA）和多壁碳纳米管（MWCNTs）的均可作为废水中有毒物质的吸附剂，为了提高其各自的吸附能力，科研工作者将二者制成纳米复合材料用于废水中有毒物质的吸附研究。付秋平等^[12]针对这一问题，将海藻酸钠（SA）和氧化多壁碳纳米管（oMWCNTs）进行复合，制备海藻酸钠／氧化多壁碳纳米管（SA/oMWCNTs）复合材料，讨论了改性前后材料吸附效果的影响，结果表明，改性后SA/oMWCNTs对Pb(II)的吸附性能更好。王伟丽^[13]分别利用壳聚糖（CS）、海藻酸钠（SA）和铁（Fe）改性碳纳米管(MWCNTs)分别研究了三种改性复合材料了对刚果红(CR)、亚甲基蓝(MB)和磷酸根的吸附性能，结果表明改性后材料对有机染料的吸附量均有不同程度的提高。此外Yang等^[14]还通过理论计算研究了碳纳米管上吸附镍离子的活性位点，证实了碳纳米管表面的Stone-Wales缺陷增强了其对镍的吸附作用，这也说明经改性后，MWCNTs管壁缺陷程度的增强是其吸附率提高的重要因素之一。磁性纳米材料对特定的污染物具有较强的选择性吸附作用，张思怡等^[15]利用γ-Fe₂O₃为磁性材料，制备了γ-Fe₂O₃/SA/oMWCNTs复合吸附剂，研究表明该材料对水中的Cu（Ⅱ）具有特定的吸附性能。

综上所述，SA与MWCNTs复合后的材料具有比单一SA和MWCNTs吸附剂更好的协同性能，能够提高吸附剂MWCNTs对样品中目标分析物的吸附性，进而达到吸附萃取、净化的作用。但是，上述大多数文献是将SA和MWCNTs制备成固体吸附材料，这必将减小材料与水的接触面积，影响其吸附效果，因此，该影响因素的探究还有待深入。因此，本实验利用SA作为分散剂对MWCNTs进行超声分散，得到水中可分散的SA/MWCNTs的纳米复合材料，探究比较SA/MWCNTs复合材料废水中MB和MO吸附情况，从吸附剂用量、样品水中含有机染料浓度、溶液pH值和吸附时间等因素出发，分别考察SA/MWCNTs复合材料对标准水样中MB和MO的吸附作用，并尝试从机理层面上探究其吸附效果不同的原因，为新型碳纳米碳材料在水处理中的选择和应用提供理论依据。

参考文献

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1、目前国内外鲜有文献报道水中可分散SA/MWCNTs纳米复合材料的制备研究工作，本项目拟开展环境友好型、水中可分散新型吸剂SA/MWCNTs纳米复合材料的制备研究；

2、目前鲜有文献报道水中可分散SA/MWCNTs纳米复合材料对MB和MO的吸附研究，本项目拟开展具有高吸附位点的SA/MWCNTs纳米管复合材料对水溶液中染料MB和MO的吸附机吸附规律研究，为新型碳纳米碳材料在水处理中的应用提供理论依据；

3、目前鲜有文献报道化学类实验室试验用污水中MB和MO的吸附处理研究，本项目拟开展建立高校化学类实验室有机废水中MB和MO残留物的有效去除与检测方法的研究，应用于高校化学类试验有机废水中MB和MO的去除与检测。

技术路线：

拟解决的问题：
1、控制实验条件，筛选出能制备具有高吸附位点吸附剂SA/MWCNTs纳米复合材料的最优实验条件；

2、结合实验结果，解释吸附剂SA/MWCNTs纳米复合材料对MB和MO的吸附作用机制；

3、将吸附技术与分光光度法联用，为化学类实验室有机废水中有害残留的去除与检测提供新颖的环境友好型的吸附材料与方便快捷的检测方法。

预期成果：

1、获得一种吸附时间短、吸附率高的环境友好型碳纳米材料吸附剂，用于净化环境水中的MB和MO；

2、以SA/MWCNTs纳米管复合材料为吸附剂，考察影响吸附率的因素，获得最优吸附条件；

3、将吸附技术与分光光度法联用，建立环境水中MB和MO残留物的有效去除与检测方法，为化学类实验室有机废水中有害残留的去除与检测提供新方法；

4、探寻出SA/MWCNTs纳米管复合材料对水溶液中重金属MB和MO的吸附机理与吸附规律，为新型碳纳米碳材料在水处理中的应用提供理论依据；

5、发表研究论文1篇，提供研究报告1份。

2023年6月-2023年8月：查阅相关文献，进一步设计优化实验方案；

2023年9月-2023年12月：实验阶段，项目组成员共同协作，在老师指导下完成项目实验部分内容；

2024年1月-2024年5月：整理分析数据，在老师指导下撰写并发表论文，同时撰写结题报告，按要求申报学校竞赛；

  2024年6月：结题。