华东理工大学周彦波团队：离子型染料的强化吸附研究进展

导 读

华东理工大学周彦波教授团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST）期刊发表了题为“离子型染料的强化吸附研究进展（Recent  advance  in  enhanced  adsorption  of  ionic  dyes  from  aqueous  solution:  A  review; DOI：10.1080/10643389.2023.2200714; Published online: 19 Apr 2023）”的特邀综述。吸附技术是废水处理领域的热门技术，追求更快的吸附速率和更高的吸附容量一直是其关键目标。近十年来，在染料废水处理领域，90%以上的吸附染料文献均涉及到离子型染料，静电相互作用是其吸附的主要机制，因此提高吸附容量的关键在于提升吸附剂的静电相互作用力/表面电荷。为此，本文从吸附剂电荷特性调控角度出发，梳理了包括官能团接枝、材料复合和结构调控等改性策略；并从材料性能、制备工艺、成本等角度讨论了其实际应用的前景。本文将为静电相互作用力/表面电荷调控策略强化水中离子型染料吸附提供一定的参考。

 图1 图文摘要（Graphic Abstract）

主要内容本文梳理了近十年关于水中染料吸附的文献（图2），大约95%的文献研究对象为离子型染料（阴离子和阳离子），只有约5%涉及非离子染料。在水溶液中，阴离子染料由于磺酸基团（–HSO3）而带负电，而阳离子染料由于质子化胺或含硫基团的存在而带正电荷。吸附剂表面可能存在不成对的电子、不完全饱和的键或某些官能团，这会影响表面电荷进而影响吸附容量。

图2 (a)关于染料吸附的年度发文量；(b)不同类型染料的发文量占比。

数据来源：Scopus，从 2012 年到 2022 年 5 月

基于电荷吸引的静电相互作用是有效分离阴/阳离子染料的主要驱动力。不同的吸附力，如π-π堆积、氢键和范德华力也有助于染料的吸附。与其他机理相比，静电相互作用常见的且在离子染料的吸附中起着重要的作用。静电相互作用的普遍性主要源于电荷之间相互吸引的强度远远大于其他相互作用力：范德华力 < 氢键 ≈ π–π堆积 < 静电相互作用（图3）。

图3 不同吸附机理示意图

基于电荷调控的吸附剂改性以提高吸附容量一直是吸附领域的重点工作。虽然近年来相关综述很多，但大多聚焦特定材料的改性策略。从宏观角度，很少有综述系统梳理和总结离子型染料静电相互作用的普适性改性方法。本文整理了不同染料的分类、性质和吸附机理；重点介绍了接枝改性强化离子染料吸附的研究进展；讨论和评估了不同改性手段的吸附容量、改性流程和成本等因素；此外，还介绍了常用的两性吸附剂改性方法（图4），提供了吸附技术在工业染料废水处理中的应用案例；并对吸附剂开发及其工业化应用进行了展望。

图4 两性吸附机理和相应的负电/正电基团

总结与展望尽管染料吸附剂开发经历了长足发展，高效吸附剂的开发和应用仍面临着许多需要解决的现实问题。（1）应更加注意配体的毒性。例如，丁二酸酐接枝吸附剂的吸附能力可以达到2000 mg/g，但它具有很高的毒性。而一些天然物质，如柠檬酸、壳聚糖、多巴胺、植酸和海藻酸盐等，对环境友好、吸附性能好，值得进一步研究。（2）目前实验研究中吸附剂的再生通常涉及溶剂洗脱，这种再生方法难以实际应用。迫切需要尝试新的经济可行的吸附剂再生方法。同时，废吸附剂的安全处置也需要进一步研究。（3）吸附剂的稳定性是一个基本参数。大多数研究仅从再生和循环实验的角度研究吸附剂的稳定性。在某些情况下，吸附剂可能会破裂和崩解。吸附剂的稳定性应注意其机械稳定性，包括耐酸、耐碱、耐高温和耐机械磨损等。然而这方面的研究很少。（4）成本是吸附剂重要的因素之一。目前我们更关注吸附剂的原始价格，而不评估其整个生命周期的经济效益。事实上，除了吸附剂本身的生产成本外，还应包括合成/改性、运输、储存、人工、企业利润、饱和吸附剂的解吸、处理和处置等。在连续长周期循环运行的过程中，吸附剂的实际成本不断被压缩。从吸附剂的生命周期角度计算单位体积染色废水的处理成本是一种合理的方法。

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