CuFe2O4@PDA-AC对水中日落黄的吸附性能研究

摘" 要：该研究以铁酸铜来负载活性炭，并在其表面实施聚多巴胺的修饰，合成出一种名为CuFe2O4@PDA-AC的新型复合材料。该文考察复合材料对环境污染物日落黄（SY）的吸附效果，复合材料对日落黄的最大吸附量达到266.08 mg/g（303 K，pH 3），酸性环境下有利于复合材料对日落黄的吸附。吸附机理研究发现，吸附过程更符合Langmuir吸附等温模型和伪二级动力学模型，升温有利于吸附。

关键词：新型复合材料；CuFe2O4@PDA-AC；日落黄；吸附量；吸附机理

中图分类号：O658.2" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

水质污染与保护已跃升为公众瞩目的核心议题。污染废水排放以及农药、化肥的滥用，正对各类水体生态造成深刻破坏，并潜在地危害着人类健康。与天然色素相比，合成色素在纺织、印刷、制药、化妆品和食品等行业应用广泛，其稳定性突出，着色能力强，效率高，生产成本低。然而，这些合成色素的无序排放成为环境的一大隐忧[1]。由于多数合成色素的有机分子结构稳定，难以被微生物自然降解，其未经处理的排放将给水环境带来严重的污染。目前主流的色素处理方法有光触媒降解，氧化和吸附等[2]。其中，吸附法以其独特的优势脱颖而出，不仅能有效处理废水，还能实现资源的回收再利用。吸附法的核心在于制备对水中合成色素具有高选择性和高吸附容量的吸附剂[3-4]。

碳材料凭借优异的性能，被视作是负载磁性纳米颗粒的理想载体，已在食品检测、医学诊断、生物分析及环境监测等多个领域展现作用。其中，活性炭因其较大的比表面积显著提升了所负载纳米颗粒的分散性和稳定性，显著地增强了复合材料的综合性能[5-6]。聚多巴胺因其富含多功能基团常被用作金属氧化物及碳材料的修饰剂。这种聚多巴胺含有丰富的官能团，形成了强大的吸附位点，有效地提升了对有机分子的吸附能力[3]。本研究拟结合磁性纳米材料、聚多巴胺和活性炭各自的特点和优势，利用铁酸铜来负载活性炭，并在其表面实施了聚多巴胺的修饰，成功制备出了一种名为CuFe2O4@PDA-AC的新型复合材料。考察了复合材料对水中日落黄的吸附效果。为了更加全面地理解这种新型复合材料吸附过程的内在规律与机理，还系统地进行了吸附等温线拟合、吸附动力学模型构建及热力学参数分析。

1" 实验部分

1.1" 材料和试剂

Cu（NO3）2·3H2O、Fe（NO3）3·9H2O、日落黄、多巴胺盐酸盐和三羟基氨基甲烷（Tris）采购自阿拉丁试剂，分析纯。

1.2" 复合材料的制备

精确称量Cu（NO3）2·3H2O和Fe（NO3）3·9H2O并按照一定比例完全溶解于100 mL的超纯水中。接着向此溶液内逐渐加入适量的活性炭，并启动磁力搅拌器确保维持搅拌状态，持续时间为2 h。期间缓慢且均匀地滴加浓度为4 mol/L的NaOH溶液。滴加完成后置于在80 °C的恒温水浴锅中并维持2 h。随后，将此混合物转移至水热反应釜中，在烘箱（180 °C）中反应12 h。然后过滤分离出固体残留物，并将其置于马弗炉中，在450 °C的温度下进行煅烧，持续时间为2 h。煅烧结束后自然冷却至室温，研磨处理得到CuFe2O4负载活性炭材料。将制备好的CuFe2O4负载活性炭材料浸没在100 mL大小的烧杯中，烧杯中装有一定量的Tris溶液（10 mM，pH=8.5），将一定量的盐酸多巴胺溶于上述溶液中，玻璃瓶开口暴露在空气中放置6 h。随后将聚多巴胺改性后的CuFe2O4负载活性炭材料用去离子水清洗并过滤，干燥后得到CuFe2O4@PDA-AC复合材料备用。

1.3" 吸附实验

本实验采用岛津公司型号为UV-2500PC的紫外-可见光分光光度计对溶液中日落黄的浓度进行了测定。

2" 结果与讨论

2.1" 初始溶液pH对吸附量的影响

不同初始溶液pH（3～10）复合材料对日落黄的吸附量变化如图1所示。pH为3时复合材料展现出最佳的吸附效果，随着溶液pH的逐步升高，其吸附效果呈现下降趋势。此现象揭示了较低的溶液pH环境更有利于复合材料对日落黄的吸附。这是因为日落黄作为一种酸性阴离子型染料，在溶液pH低于复合材料零电荷点时，其分子带负电，而复合材料表面则因环境酸度而带正电，从而通过增强的静电相互作用对日落黄分子产生强烈的吸引。随着pH上升，复合材料的Zeta电位趋向负值，减弱了静电吸引力，导致吸附量减少[2，7]。

2.2" 吸附等温线

本研究采用Langmuir以及Freundlich等温吸附模型进行了拟合分析。

2个等温吸附模型的拟合结果如图2所示。表1列出了吸附等温模型参数。随着日落黄初始浓度的逐步升高，复合材料的吸附量呈现递增趋势，然而这一增长过程逐渐放缓，并最终趋近于一个稳定值，显示出吸附过程渐趋饱和的现象。这是因为底物在吸附初期会与复合材料的吸附位点进行充分的接触，但复合材料能够提供的吸附位点有限，所有吸附位点饱和后会达到平衡的状态。对比表1中拟合的相关系数R2，CuFe2O4@PDA-AC复合材料的Langmuir等温吸附模型的拟合相关系数均明显高于Freundlich等温吸附模型，说明CuFe2O4@PDA-AC复合材料对日落黄的吸附行为更遵循Langmuir吸附等温模型，表明吸附机制主要为材料表面发生的均匀单层分子吸附过程[8]。

2.3" 吸附热力学

2.4" 吸附动力学

3" 结论

1）本研究成功制备了一种新型CuFe2O4@PDA-AC复合材料，温度为303 K，pH为3的条件下，复合材料对日落黄的饱和吸附量达到266.08 mg/g，酸性条件下更有利于吸附。

2）Langmuir吸附等温线模型能够较好地描述CuFe2O4@PDA-AC对日落黄的吸附过程，这表明该吸附过程为均匀的单分子层吸附。该复合材料对日落黄的吸附是一个热力学上有利的过程，温度升高有利于吸附的进行。动力学分析则显示，伪二级动力学模型具有较高的拟合度，说明该吸附过程涉及物理吸附和化学吸附的共同作用。

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