CuFe2O4@PDA-AC對(duì)水中日落黃的吸附性能研究

摘" 要：該研究以鐵酸銅來負(fù)載活性炭，并在其表面實(shí)施聚多巴胺的修飾，合成出一種名為CuFe2O4@PDA-AC的新型復(fù)合材料。該文考察復(fù)合材料對(duì)環(huán)境污染物日落黃（SY）的吸附效果，復(fù)合材料對(duì)日落黃的最大吸附量達(dá)到266.08 mg/g（303 K，pH 3），酸性環(huán)境下有利于復(fù)合材料對(duì)日落黃的吸附。吸附機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，吸附過程更符合Langmuir吸附等溫模型和偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，升溫有利于吸附。

關(guān)鍵詞：新型復(fù)合材料；CuFe2O4@PDA-AC；日落黃；吸附量；吸附機(jī)理

中圖分類號(hào)：O658.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）05-0087-04

Abstract： In this study， a novel composite material named CuFe2O4@PDA-AC was synthesized by loading activated carbon with copper ferrite and modifying its surface with polydopamine. The adsorption effect of composite material on environmental pollutant sunset yellow（SY） was investigated. The maximum adsorption capacity of composite material on sunset yellow reached 266.08 mg/g（303 K，pH 3）， and the acid environment was conducive to the adsorption. The adsorption mechanism found that the adsorption of sunset yellow by composite was more consistent with Langmuir adsorption model and pseudo-second order kinetic model. Heating is conducive to adsorption.

Keywords： novelcomposite materials; CuFe2O4@PDA-AC; sunset yellow; adsorption capacity; adsorption mechanism

水質(zhì)污染與保護(hù)已躍升為公眾矚目的核心議題。污染廢水排放以及農(nóng)藥、化肥的濫用，正對(duì)各類水體生態(tài)造成深刻破壞，并潛在地危害著人類健康。與天然色素相比，合成色素在紡織、印刷、制藥、化妝品和食品等行業(yè)應(yīng)用廣泛，其穩(wěn)定性突出，著色能力強(qiáng)，效率高，生產(chǎn)成本低。然而，這些合成色素的無序排放成為環(huán)境的一大隱憂[1]。由于多數(shù)合成色素的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以被微生物自然降解，其未經(jīng)處理的排放將給水環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染。目前主流的色素處理方法有光觸媒降解，氧化和吸附等[2]。其中，吸附法以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)脫穎而出，不僅能有效處理廢水，還能實(shí)現(xiàn)資源的回收再利用。吸附法的核心在于制備對(duì)水中合成色素具有高選擇性和高吸附容量的吸附劑[3-4]。

碳材料憑借優(yōu)異的性能，被視作是負(fù)載磁性納米顆粒的理想載體，已在食品檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、生物分析及環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)作用。其中，活性炭因其較大的比表面積顯著提升了所負(fù)載納米顆粒的分散性和穩(wěn)定性，顯著地增強(qiáng)了復(fù)合材料的綜合性能[5-6]。聚多巴胺因其富含多功能基團(tuán)常被用作金屬氧化物及碳材料的修飾劑。這種聚多巴胺含有豐富的官能團(tuán)，形成了強(qiáng)大的吸附位點(diǎn)，有效地提升了對(duì)有機(jī)分子的吸附能力[3]。本研究擬結(jié)合磁性納米材料、聚多巴胺和活性炭各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，利用鐵酸銅來負(fù)載活性炭，并在其表面實(shí)施了聚多巴胺的修飾，成功制備出了一種名為CuFe2O4@PDA-AC的新型復(fù)合材料?？疾炝藦?fù)合材料對(duì)水中日落黃的吸附效果。為了更加全面地理解這種新型復(fù)合材料吸附過程的內(nèi)在規(guī)律與機(jī)理，還系統(tǒng)地進(jìn)行了吸附等溫線擬合、吸附動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建及熱力學(xué)參數(shù)分析。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 材料和試劑

Cu（NO3）2·3H2O、Fe（NO3）3·9H2O、日落黃、多巴胺鹽酸鹽和三羥基氨基甲烷（Tris）采購(gòu)自阿拉丁試劑，分析純。

1.2" 復(fù)合材料的制備

精確稱量Cu（NO3）2·3H2O和Fe（NO3）3·9H2O并按照一定比例完全溶解于100 mL的超純水中。接著向此溶液內(nèi)逐漸加入適量的活性炭，并啟動(dòng)磁力攪拌器確保維持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，持續(xù)時(shí)間為2 h。期間緩慢且均勻地滴加濃度為4 mol/L的NaOH溶液。滴加完成后置于在80 °C的恒溫水浴鍋中并維持2 h。隨后，將此混合物轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中，在烘箱（180 °C）中反應(yīng)12 h。然后過濾分離出固體殘留物，并將其置于馬弗爐中，在450 °C的溫度下進(jìn)行煅燒，持續(xù)時(shí)間為2 h。煅燒結(jié)束后自然冷卻至室溫，研磨處理得到CuFe2O4負(fù)載活性炭材料。將制備好的CuFe2O4負(fù)載活性炭材料浸沒在100 mL大小的燒杯中，燒杯中裝有一定量的Tris溶液（10 mM，pH=8.5），將一定量的鹽酸多巴胺溶于上述溶液中，玻璃瓶開口暴露在空氣中放置6 h。隨后將聚多巴胺改性后的CuFe2O4負(fù)載活性炭材料用去離子水清洗并過濾，干燥后得到CuFe2O4@PDA-AC復(fù)合材料備用。

1.3" 吸附實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用島津公司型號(hào)為UV-2500PC的紫外-可見光分光光度計(jì)對(duì)溶液中日落黃的濃度進(jìn)行了測(cè)定。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 初始溶液pH對(duì)吸附量的影響

不同初始溶液pH（3～10）復(fù)合材料對(duì)日落黃的吸附量變化如圖1所示。pH為3時(shí)復(fù)合材料展現(xiàn)出最佳的吸附效果，隨著溶液pH的逐步升高，其吸附效果呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。此現(xiàn)象揭示了較低的溶液pH環(huán)境更有利于復(fù)合材料對(duì)日落黃的吸附。這是因?yàn)槿章潼S作為一種酸性陰離子型染料，在溶液pH低于復(fù)合材料零電荷點(diǎn)時(shí)，其分子帶負(fù)電，而復(fù)合材料表面則因環(huán)境酸度而帶正電，從而通過增強(qiáng)的靜電相互作用對(duì)日落黃分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸引。隨著pH上升，復(fù)合材料的Zeta電位趨向負(fù)值，減弱了靜電吸引力，導(dǎo)致吸附量減少[2，7]。

2.2" 吸附等溫線

本研究采用Langmuir以及Freundlich等溫吸附模型進(jìn)行了擬合分析。

2個(gè)等溫吸附模型的擬合結(jié)果如圖2所示。表1列出了吸附等溫模型參數(shù)。隨著日落黃初始濃度的逐步升高，復(fù)合材料的吸附量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，然而這一增長(zhǎng)過程逐漸放緩，并最終趨近于一個(gè)穩(wěn)定值，顯示出吸附過程漸趨飽和的現(xiàn)象。這是因?yàn)榈孜镌谖匠跗跁?huì)與復(fù)合材料的吸附位點(diǎn)進(jìn)行充分的接觸，但復(fù)合材料能夠提供的吸附位點(diǎn)有限，所有吸附位點(diǎn)飽和后會(huì)達(dá)到平衡的狀態(tài)。對(duì)比表1中擬合的相關(guān)系數(shù)R2，CuFe2O4@PDA-AC復(fù)合材料的Langmuir等溫吸附模型的擬合相關(guān)系數(shù)均明顯高于Freundlich等溫吸附模型，說明CuFe2O4@PDA-AC復(fù)合材料對(duì)日落黃的吸附行為更遵循Langmuir吸附等溫模型，表明吸附機(jī)制主要為材料表面發(fā)生的均勻單層分子吸附過程[8]。

2.3" 吸附熱力學(xué)

2.4" 吸附動(dòng)力學(xué)

3" 結(jié)論

1）本研究成功制備了一種新型CuFe2O4@PDA-AC復(fù)合材料，溫度為303 K，pH為3的條件下，復(fù)合材料對(duì)日落黃的飽和吸附量達(dá)到266.08 mg/g，酸性條件下更有利于吸附。

2）Langmuir吸附等溫線模型能夠較好地描述CuFe2O4@PDA-AC對(duì)日落黃的吸附過程，這表明該吸附過程為均勻的單分子層吸附。該復(fù)合材料對(duì)日落黃的吸附是一個(gè)熱力學(xué)上有利的過程，溫度升高有利于吸附的進(jìn)行。動(dòng)力學(xué)分析則顯示，偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型具有較高的擬合度，說明該吸附過程涉及物理吸附和化學(xué)吸附的共同作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 常雪晴，王子棋，魯理平.便攜式電化學(xué)傳感平臺(tái)靈敏檢測(cè)偶氮類染料日落黃和檸檬黃[J].分析化學(xué)，2024，52（1）：62-71.

[2] 張雋曄，周培疆，管鯤.MnO2改性累托石/污泥生物炭復(fù)合材料的制備及其對(duì)Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）吸附特性研究[J].安全與環(huán)境工程，2019，26（3）：101-108.

[3] 馬婧鳳，胡曉芬.殼聚糖/聚多巴胺復(fù)合顆粒染料吸附性能研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2023，46（S2）：103-107.

[4] 吳一凡.磁性納米復(fù)合材料的合成及其吸附性能與分析應(yīng)用研究[D].保定：河北大學(xué)，2021.

[5] 李璐，周克梅，周衛(wèi)東，等.廢棄水廠用煤質(zhì)顆?；钚蕴课奖郊姿徕c性能研究[J].應(yīng)用化工，2024，53（4）：787-790.

[6] GUAN K， ZHOU P， ZHANG J， et al. Synthesis and characterization of ZnO@RSDBC composites and their Photo-Oxidative degradation of Acid Orange 7 in water[J]. Journal of Molecular Structure， 2020（10）：127425.

[7] 張巧利，徐強(qiáng)，張媛媛，等.磁性介孔碳的制備及對(duì)水體中染料的吸附去除[J].環(huán)境化學(xué)，2018，37（11）：2548-2554.

[8] 鄒成龍.磁性膨潤(rùn)土材料制備及吸附重金屬離子與再生研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2019.

[9] MEILI L， LINS P V， ZANTA C L P S， et al. MgAl-LDH/Biochar composites for methylene blue removal by adsorption[J]. Applied Clay Science， 2019，168（2）：11-20.

[10] 李雪梅.二氧化錳/生物炭復(fù)合材料的制備及其對(duì)Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的吸附性能[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2018.

[11] 楊潞，張智，李余杰，等.西南地區(qū)典型農(nóng)田土壤中Cd2+、Pb2+的吸附特性研究[J].土壤通報(bào)，2018，49（4）：985-992.