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（来源：生态修复网）
针对磺胺类抗生素过度使用带来的环境风险，开发绿色高效废水处理技术具有重要意义。本研究提出一种创新的“以废治废”策略：以废弃核桃壳为原料通过热解制备生物炭，进而通过生物炭辅助的双网络组装工艺构建三维渗透性海藻酸钠-壳聚糖复合水凝胶珠（OSA/CS@SNBC），并首次将其应用于磺胺类抗生素的高效去除。单因素实验表明，该复合材料对磺胺类抗生素的去除率高达99%，且在宽pH范围内保持良好吸附性能。吸附过程在100分钟内达到平衡，符合准二级动力学模型和Langmuir等温线模型，对磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑和磺胺嘧啶的最大吸附容量分别达到513.61 mg/g、528.12 mg/g和392.42 mg/g。热力学分析显示吸附过程为自发（ΔG < 0）、吸热（ΔH > 0）且熵增（ΔS > 0）的反应，表明升温有利于磺胺类抗生素的去除。协同吸附实验发现，低浓度Cu²⁺可通过桥接作用增强磺胺二甲嘧啶的吸附。值得注意的是，OSA/CS@SNBC对多种污染物也表现出优异的去除性能，并具备良好的生物降解性。最后，结合FTIR、XPS和DFT分析进一步阐明了其吸附机理。这种绿色合成策略为开发高效环保的水处理材料提供了新的思路。
图解
图 2.(a) BC、(b) SNBC 和 (c) OSA/CS@SNBC 的扫描电镜图像。(d) BC、SNBC 和 OSA/CS@SNBC 的红外光谱图。(e) 各步材料的 TG 曲线及 OSA/CS@SNBC 的 DTG 曲线。(f) C1s、(g) N1s、(h) O1s 和 (i) S2p 的高分辨率 XPS 能谱图。
图3.(a-c) SMZ、SMX和SFZ的吸附动力学模型。(d) 颗粒内扩散模型。(e) 液膜扩散模型。(f) 三种抗生素吸附容量随接触时间的变化。(g-i) SMZ、SMX、SFZ的Langmuir等温吸附模型。(j-l) SMZ、SMX、SFZ的Freundlich等温吸附模型。
图4.(a) 几何构型优化。(b) 各分子的静电势图。(c) 海藻酸钠与SMZ、SMX、SFZ的吸附能。(d) OSA/CS@SNBC对SMZ、SMX、SFZ的吸附能。
结论
本研究成功构建了一种以废弃核桃壳热解生物炭为结构骨架的新型双网络凝胶体系（OSA/CS@SNBC），验证了利用废弃资源开发高效吸附剂的可行性。该材料对真实水样中的磺胺类抗生素表现出有效的去除能力，这归因于生物炭与海藻酸盐-壳聚糖网络之间的互穿与协同作用。FTIR和XPS证实生物炭表面成功实现了磺化与氨基修饰，验证了吸附剂的合成。SEM图像显示OSA/CS@SNBC具有明显的孔隙结构，表明双网络结构提供了丰富的潜在吸附位点。批量吸附实验表明，该材料在宽pH范围（pH=3–9）内具有优异的磺胺类抗生素去除效率及良好的耐盐性。模型拟合表明，磺胺类抗生素的吸附遵循准二级化学吸附和Langmuir单层吸附模型，在318 K下对SMZ、SMX和SFZ的最大吸附容量分别达到513.61 mg/g、528.12 mg/g和392.42 mg/g。值得注意的是，响应面法确定的最佳吸附条件为pH 3.880、温度31.934 °C、OSA/CS@SNBC投加量13.869 mg。共吸附研究表明，低浓度Cu²⁺作为桥接中心形成SMZ-Cu²⁺络合物，协同促进SMZ的去除，而高浓度则产生拮抗作用。OSA/CS@SNBC在六个循环周期内保持优异的吸附性能，表明材料结构具有良好的稳定性。同时，通过FTIR、XPS和DFT计算等综合表征技术揭示，关键的吸附机理为π-π电子供体-受体相互作用、氢键、静电相互作用和孔隙填充。综上所述，该双网络凝胶体系通过绿色设计策略实现了协同优化，为开发高效、稳定、环境友好的吸附剂提供了新范式，展现了在复杂水基质中深度净化的应用潜力，并为可持续废水处理提供了解决方案。
文章来源：生物质炭材料
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