CuFe2O4@PDA-AC對水中日落黃的吸附性能研究

摘" 要：該研究以鐵酸銅來負載活性炭，并在其表面實施聚多巴胺的修飾，合成出一種名為CuFe2O4@PDA-AC的新型復合材料。該文考察復合材料對環境污染物日落黃（SY）的吸附效果，復合材料對日落黃的最大吸附量達到266.08 mg/g（303 K，pH 3），酸性環境下有利于復合材料對日落黃的吸附。吸附機理研究發現，吸附過程更符合Langmuir吸附等溫模型和偽二級動力學模型，升溫有利于吸附。

關鍵詞：新型復合材料；CuFe2O4@PDA-AC；日落黃；吸附量；吸附機理

中圖分類號：O658.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

水質污染與保護已躍升為公眾矚目的核心議題。污染廢水排放以及農藥、化肥的濫用，正對各類水體生態造成深刻破壞，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應用廣泛，其穩定性突出，著色能力強，效率高，生產成本低。然而，這些合成色素的無序排放成為環境的一大隱憂[1]。由于多數合成色素的有機分子結構穩定，難以被微生物自然降解，其未經處理的排放將給水環境帶來嚴重的污染。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，吸附法以其獨特的優勢脫穎而出，不僅能有效處理廢水，還能實現資源的回收再利用。吸附法的核心在于制備對水中合成色素具有高選擇性和高吸附容量的吸附劑[3-4]。

碳材料憑借優異的性能，被視作是負載磁性納米顆粒的理想載體，已在食品檢測、醫學診斷、生物分析及環境監測等多個領域展現作用。其中，活性炭因其較大的比表面積顯著提升了所負載納米顆粒的分散性和穩定性，顯著地增強了復合材料的綜合性能[5-6]。聚多巴胺因其富含多功能基團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，形成了強大的吸附位點，有效地提升了對有機分子的吸附能力[3]。本研究擬結合磁性納米材料、聚多巴胺和活性炭各自的特點和優勢，利用鐵酸銅來負載活性炭，并在其表面實施了聚多巴胺的修飾，成功制備出了一種名為CuFe2O4@PDA-AC的新型復合材料。考察了復合材料對水中日落黃的吸附效果。為了更加全面地理解這種新型復合材料吸附過程的內在規律與機理，還系統地進行了吸附等溫線擬合、吸附動力學模型構建及熱力學參數分析。

1" 實驗部分

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）采購自阿拉丁試劑，分析純。

1.2" 復合材料的制備

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。接著向此溶液內逐漸加入適量的活性炭，并啟動磁力攪拌器確保維持攪拌狀態，持續時間為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，將此混合物轉移至水熱反應釜中，在烘箱（180 °C）中反應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的溫度下進行煅燒，持續時間為2 h。煅燒結束后自然冷卻至室溫，研磨處理得到CuFe2O4負載活性炭材料。將制備好的CuFe2O4負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復合材料備用。

1.3" 吸附實驗

本實驗采用島津公司型號為UV-2500PC的紫外-可見光分光光度計對溶液中日落黃的濃度進行了測定。

2" 結果與討論

2.1" 初始溶液pH對吸附量的影響

不同初始溶液pH（3～10）復合材料對日落黃的吸附量變化如圖1所示。pH為3時復合材料展現出最佳的吸附效果，隨著溶液pH的逐步升高，其吸附效果呈現下降趨勢。此現象揭示了較低的溶液pH環境更有利于復合材料對日落黃的吸附。這是因為日落黃作為一種酸性陰離子型染料，在溶液pH低于復合材料零電荷點時，其分子帶負電，而復合材料表面則因環境酸度而帶正電，從而通過增強的靜電相互作用對日落黃分子產生強烈的吸引。隨著pH上升，復合材料的Zeta電位趨向負值，減弱了靜電吸引力，導致吸附量減少[2，7]。

2.2" 吸附等溫線

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

2個等溫吸附模型的擬合結果如圖2所示。表1列出了吸附等溫模型參數。隨著日落黃初始濃度的逐步升高，復合材料的吸附量呈現遞增趨勢，然而這一增長過程逐漸放緩，并最終趨近于一個穩定值，顯示出吸附過程漸趨飽和的現象。這是因為底物在吸附初期會與復合材料的吸附位點進行充分的接觸，但復合材料能夠提供的吸附位點有限，所有吸附位點飽和后會達到平衡的狀態。對比表1中擬合的相關系數R2，CuFe2O4@PDA-AC復合材料的Langmuir等溫吸附模型的擬合相關系數均明顯高于Freundlich等溫吸附模型，說明CuFe2O4@PDA-AC復合材料對日落黃的吸附行為更遵循Langmuir吸附等溫模型，表明吸附機制主要為材料表面發生的均勻單層分子吸附過程[8]。

2.3" 吸附熱力學

2.4" 吸附動力學

3" 結論

1）本研究成功制備了一種新型CuFe2O4@PDA-AC復合材料，溫度為303 K，pH為3的條件下，復合材料對日落黃的飽和吸附量達到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。該復合材料對日落黃的吸附是一個熱力學上有利的過程，溫度升高有利于吸附的進行。動力學分析則顯示，偽二級動力學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吸附的共同作用。

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