酸性红33的生物质基吸附去除

介绍

酸性红33（Acid Red 33，简称 AR33）是一种应用广泛的阴离子型偶氮染料，具有稳定的着色性能与鲜亮的红色调，被大量用于漱口水、牙膏及各类化妆品的生产加工环节，是日用化工领域常用的红色着色剂。由于分子结构中含有偶氮键与多环芳香结构，酸性红33的生物降解性极差，即使在极低浓度下也会改变水体色度，阻碍光线穿透进而抑制水生植物的光合作用，破坏水生生态系统的物质循环。同时，该染料具有明确的生物毒性，不仅会对水生生物造成致畸、致突变效应，还可通过食物链富集进入人体，引发头痛、哮喘发作与多种过敏性疾病。

图一 酸性红33

花生壳基活性炭吸附剂的制备

以磷酸活化花生壳制备的活性炭（HAGNS）为例，其制备工艺以废弃花生壳为基础原料：先将花生壳清洗除杂、日晒干燥后粉碎成粉末，经 110℃烘干 4 小时后，按质量比与 85% 磷酸溶液混合浸渍 24 小时，期间定期搅拌保证浸渍均匀；浸渍完成后将物料置于 110℃环境中加热 18 小时，得到的黑褐色结块经粉碎后在 400℃下煅烧 2 小时完成活化；最终产物经去离子水多次洗涤后，用 1% 碳酸氢钠溶液中和残留酸性，再次水洗至滤液 pH 为中性，烘干后即得优于吸附去除酸性红33的成品活性炭。

原始花生壳粉末的 BET 比表面积仅为 1.971 m²/g，孔体积仅 0.005 cm³/g；经磷酸热化学活化后，比表面积跃升至 1150.252 m²/g，孔体积提升至 0.250 cm³/g，孔径则从 3.494 nm 缩小至 3.119 nm，发达的微孔与介孔结构为染料分子提供了充足的吸附位点。活化后的炭材料呈现出层次丰富的多孔形貌，而吸附酸性红 33 后的样品孔隙明显被填充，直观验证了染料分子在材料表面与孔隙内的负载。吸附前材料表面的羟基、羰基、碳碳双键等特征官能团，在吸附后均出现了不同程度的特征峰偏移，同时新增了对应酸性红33分子中磺酸基与偶氮基的特征吸收峰，证明染料分子与活性炭表面之间存在化学相互作用，吸附过程并非单纯的物理吸附。

图二 颜料红33吸附前后的活性炭电镜图

吸附性能

该花生壳基活性炭的零电荷点 pH 为 6.4，当溶液 pH 低于该值时，活性炭表面带正电荷，与阴离子型的酸性红33之间产生强静电引力，大幅提升吸附效率。实验数据表明，当 pH 从 2 逐步升高至 10 时，酸性红 33 的去除率从 98.26±0.97% 大幅下降至 24.43±0.69%，因此强酸性环境是该吸附体系发挥最优性能的最佳条件。在吸附剂投加量方面，随着投加量从 1 g/L 提升至 3.5 g/L，酸性红33的去除率从 47.39±0.76% 快速升至 98.26±0.97%；继续提升投加量至 5 g/L 时，去除率仅小幅增长至 98.61±0.91%，综合处理效率与经济成本，3.5 g/L 为最优投加剂量。吸附过程在 180 分钟左右达到吸附平衡，继续延长接触时间去除率无明显提升；初始染料浓度升高会提升单位质量吸附剂的吸附容量，但整体去除率会随之下降；体系温度升高有利于吸附进行，印证了吸附过程的吸热特性；而水体中无机盐浓度升高时，盐类阴离子会与酸性红33竞争吸附位点，导致去除率下降，当 NaCl 浓度达到 1 mol/L 时，去除率降至 87.93±1.08%。

图三 H3PO4活化花生壳量对酸性红33去除的影响

酸性红33在花生壳基活性炭上的吸附过程以化学吸附为主，吸附速率由染料分子与吸附位点之间的电子相互作用控制。Langmuir 等温线模型的拟合效果最佳，平均相关系数 R² 为 0.9974，表明酸性红33在活性炭表面呈单分子层吸附，已吸附的染料分子之间无明显的相互作用；该活性炭对酸性红33的最大吸附容量可达 107.53±0.91 mg/g。吉布斯自由能变 ΔG⁰均为负值，证明吸附过程可自发进行；焓变 ΔH⁰为 8.83 kJ/mol，熵变 ΔS⁰为正值，说明吸附过程中固液界面的混乱度增加，升温会进一步推动吸附反应的正向进行。

针对吸附饱和的花生壳基活性炭，采用乙醇作为洗脱剂进行再生处理，洗脱后的活性炭经干燥去除残留溶剂后，即可再次用于酸性红33的吸附。第一次循环的酸性红 33 去除率为 98.26±0.97%，第二次循环去除率降至 92.47±0.91%，第三次循环仍可保持 79.57±1.04% 的去除效率，表明该吸附剂具备至少 3 次的稳定循环使用能力。磷酸活化花生壳基活性炭以农业废弃物为原料，制备工艺简单可行，对酸性红33表现出优异的吸附去除性能，同时兼具固体废弃物资源化与废水治理的双重环境效益[1]。

图四 循环吸附性能

参考文献

[1]Jain N S ,Bhandari S P ,Bodkhe M , et al.Adsorptive separation of Acid Red 33 by groundnut shell–based activated carbon[J].Biomass Conversion and Biorefinery,2024,15(10):1-11.DOI:10.1007/S13399-024-06424-1