图文摘要 | Graphical Abstract
导读 | Introduction
孔雀石绿（MG）对环境有着严重的危害，已被许多国家已经禁止使用，但由于其成本效益高且易于获得扔用于一些工业活动中，如鱼类养殖和纺织品染色。为了处理被MG污染的废水，研究通过ZnO或Zn(OH)2纳米颗粒来修饰活性炭（AC）来吸附MG，这是因为这种方法可以增加含氧官能团的数量。与未修饰的AC相比，表面上的Zn元素可以提高AC对目标分子的吸附选择性，并扩大AC层间距。据报道，负载了Zn(OH)2纳米颗粒的AC、生物基磁性AC化学官能化的AC、负载ZnO的AC、椰子椰壳基AC都可以有效从水中去除MG。尽管有文章报道了使用不同的方法负载Zn(OH)2在AC上的方法，低成本、经济且易于合成锌负载活性炭用于有效去除水溶液中的MG污染物的方法研仍需进一步研究。因此，本论文首次通过超声空化法复合材料进行了绿色、简便的合成了负载有Zn(OH)2的咖啡渣基活性炭符合材料，并评估了其对水溶液中MG的去除效果。本文自2021年2月发表以来已被引用61次。
一、活性炭吸附剂的制备及其Zn（OH）纳米颗粒改性
|Preparation AC adsorbent and its modification with Zn(OH)nanoparticles
本研究中的活性炭是通过咖啡废料制备的。将咖啡废料以1:1的比例用85%V/V H3PO4浸渍，并将其放入700°C的管式炉中60分钟，制成活性炭（CWAC）。用水洗涤CWAC，直到其滤液为中性。在第二步中，通过原位工艺用Zn(OH)2纳米颗粒对生产的咖啡渣基AC吸附剂进行改性。为此，在室温下将50.0 mL 0.05 M的锌盐与50 mL 0.1 M的NaOH溶液混合。在加入2g AC后，将混合物在超声波浴中以200W的功率振荡15分钟。使用超声水浴对AC进行超声活化。在下一步中，将混合物以6000 rpm离心约600s。然后用水和乙醇洗涤。将所获得的Zn(OH)2-AC复合物放置在烘箱中干燥。
二、吸附和解吸附实验
|Adsorption and desorption studies
MG染料的溶液由储备溶液（1000mg/L）通过稀释制备。将100mL水溶液用于每次从水中进行的吸附操作。研究不同参数包括：接触时间为（5–120分钟）、初始pH（2–9）、吸附剂量（0.10–0.50g/100mL）、温度（298–318K）和染料浓度（25–300mg/L）对MG去除的影响。另外，对六种不同的浓缩洗脱液：0.05MNaOH、0.1MNaOH、0.2MNaOH、0.05MHCl、0.1MHCl和0.2MHCl对于MG的解吸效率进行测试。采用0.1g吸附剂，搅拌60分钟，初始MG浓度为100mg/L，振荡速度为150rpm，在298K下搅拌2小时。
三、表征结果
|Characterization results
图1显示了AC和Zn(OH)2-AC复合材料在染料吸附前后的XRD结果。如图所示，20°和30°范围内的大峰对应于AC的非晶相，而39.04°处的峰代表的AC的晶相。从MG吸附前Zn(OH)2-AC复合物的XRD图可以看出，晶格为100、002、101、102、110、103、200的峰对应于32.03、36.65、38.27、48.20、57.55、62.33和68、76°。另一方面，可以看出，在MG吸附后，Zn(OH)2-AC复合物的衍射图中存在所有属于AC的主要特征峰和Zn(OH)2。此外，由于染料的吸附，这些峰的锐度降低。如FTIR图所示，在1428、1602和887 cm−1处观察到三个吸收带，对应于CH弯曲振动、C=C拉伸振动和CH平面外弯曲振动。Zn(OH)2-AC的FTIR谱图表明，在约3720和3390 cm−1处的峰为OH基团的伸缩带。在约1700和1070 cm−1处的峰值分别是由于醋酸酯基团的C=O和C–O拉伸振动。800和550 cm−1波数处的吸附峰为ZnO的结构的Zn-O拉伸振动。453cm−1处的吸附峰被认为是Zn-O在ZnO结构的弯曲振动。另一方面，Zn(OH)2-AC的谱图包括和MG吸附后AC上的所有吸收峰。图2（a–c）显示了AC、Zn(OH)2-AC复合材料和Zn(OH)2-AC吸附MG后的表明形貌。从图中可以看出，如图2（a）所示，AC的表面由具有任意几何形状的微粒组成，其尺寸大于10 μm。此外，可以观察到这些颗粒之间存在小孔，这些小孔可以吸附染料污染物。AC的表面结构发生了显著变化，因为它均匀地被锌Zn(OH)2纳米颗粒覆盖（见白色）。吸附后（图2（c）段），Zn(OH)2-AC复合材料的表面被MG覆盖。考虑到这些结果，可以显著地注意到MG被有效地吸附在Zn(OH)2-AC表面。此外，图3（d）展示了Zn(OH)2-AC复合材料的EDS分析结果。从光谱数据中检测到，所生产的吸附剂中C、O和Zn的重量分数分别为3.86、19.63和76.51%。
图1 XRD和红外表征（a）AC（b）Zn(OH)2-AC （c）Zn(OH)2-AC吸附MG后
图2 SEM图（a）AC（b）Zn(OH)2-AC （c）Zn(OH)2-AC吸附MG后 （d）Zn(OH)2-AC的EDS结果
四、pH、混合时间、投加量和温度对MG去除的作用
|Effect of pH, mixingtime, dose and temperature on MG removal
图3显示了pH, 混合时间，投加量和温度对MG在Zn(OH)2-AC复合材料上吸附的影响。在298K、25、50和150mg/L的染料浓度下，投加量为0.1g/100mL。Zn(OH)2-AC的MG去除率和溶液pH的关系如图3（a）所示。与碱性条件相比，酸性条件下MG的消除率相对较低（在72%-81%的范围内）。MG的去除随着溶液pH的增加而增加。这是因为吸附剂的表面带负电，造成了更强的静电吸引，从而增加了MG的吸附。此外，在pH为7或更高之后，吸附几乎没有变化。pH 7被确定为在所有浓度下最高吸附能力的最佳值。为了确定吸附平衡时间，在不同浓度的染料、pH 7、298 K和0.1 g/100mL吸附剂投加量下研究了六种不同的混合时间。结果发现，对于3种不同的浓度，吸附平衡时间在30分钟后开始变为恒定。此外，对于所有研究的初始MG浓度，确定最佳混合时间为60分钟。如图3（c）所示，随着吸附剂剂量的增加，所有的初始MG浓度的去除率都超过90%。在0.3 g/100 mL剂量和50 mg/L初始浓度下可达到最高吸附量。对于100 mg/L的初始浓度，在0.3 g/100mL投加量以上没有增加。此外，MG的去除率随着温度的升高而线性地提高。在约298、308和318 K下，吸附的MG的量被确定为10.5、39.7和67.7 mg/g。这一结果是由于MG分子受温度影响从溶液到吸附剂表面的迁移率增强。
图3SEM图（a）pH（b）混合时间（c）投加量（d）温度对MG吸附的影响
五、重复利用性测试|Reusability study
本研究采用了0.05、0.10和0.20M NaOH进行解吸实验。每个循环的可重用性如图4所示。在前四个循环中，吸附剂的吸附产率仅下降了约12%，在第七个循环后达到约24%，而解吸产率几乎不变。复合吸附剂吸附能力的降低可能是由于其在循环处理过程中的吸附活性部分失活。本实验表明，所开发的Zn(OH)2-AC复合吸附剂可有效去除水中的MG分子，并在整个吸附过程中表现出较好的可重复利用性。
图4吸附剂七次吸附/解吸循环（298K，吸附剂剂量：0.10g/0.1L，pH:7）的可重复使用率
总结 | Conclusions
本研究旨在开发和表征咖啡废料基活性炭（AC）作为一种环保高效的材料，并用Zn(OH)2掺杂生物基AC，用于从水中吸附去除MG。结果发现pH、温度、吸附剂用量和初始MG浓度对吸附产率有显著影响。制备的吸附剂即使在第7次循环后也具有一定的可重复使用性能。所制备的Zn(OH)2-AC复合材料具有较高的吸附能力、合理的重复使用性能以及经济高效和环保的特点，具有作为有效去除废水中MG的吸附剂的潜力。
第一作者：Esra Altıntıg 博士
SakaryaUniversityofAppliedSciences,PamukovaVocationalSchool,ChemicalandChemicalProcessingTechnologiesDepartment，Turkey
通讯作者：Tawfik A. Saleh 教授
DepartmentofChemistry,KingFahdUniversityofPetroleumandMinerals,SaudiArabia教授，发表论文440篇。
14011002000166号