磁性氧化铁纳米颗粒响应面法优化去除废水中头孢克肟的研究

《BMC Chemistry》：Response surface optimized removal of cefixime from wastewater samples using magnetic ferric oxide nanoparticles

本研究针对废水中广泛使用的头孢克肟抗生素残留问题，开发了一种基于磁性氧化铁纳米颗粒(Fe3O4NPs)的吸附去除方法。研究人员采用I-最优设计优化吸附条件，确定最佳参数为pH 5.9、纳米颗粒剂量13 mg/L、接触时间180分钟，去除率达87.55%。同时建立了HPLC监测方法，并运用AES、GAPI和AGREE工具验证了方法的绿色性。该研究为水环境中抗生素残留的去除提供了高效、环保的技术方案。

　　

随着抗生素在医疗和养殖业的广泛使用，其在水环境中的残留已成为全球性的环境问题。头孢克肟作为第三代口服头孢菌素，因其广谱抗菌活性而被广泛应用，但常规水处理工艺难以有效去除这类药物残留。这些抗生素进入水环境后可能促进细菌耐药性的发展，甚至通过食物链累积对人类健康构成威胁。

传统的水处理方法如反渗透、臭氧氧化等存在成本高、易产生二次污染等局限。相比之下，吸附法因操作简便、成本低廉而备受关注，其中纳米材料因其大比表面积和特殊表面性质展现出卓越的吸附性能。特别是磁性氧化铁纳米颗粒，不仅具有优异的吸附能力，还能通过外加磁场实现快速分离，大大提高了处理效率。

在这项发表于《BMC Chemistry》的研究中，Gaber等学者针对头孢克肟的去除难题，开展了一项系统的研究。他们首先通过筛选实验确定了影响吸附过程的关键因素，进而采用响应面法中的I-最优设计对工艺参数进行优化，建立了一套高效、绿色的水处理方案。

研究团队采用的主要技术方法包括：通过化学共沉淀法合成磁性氧化铁纳米颗粒，并利用HR-TEM和XRD进行表征；开发并验证了用于头孢克肟检测的HPLC分析方法；采用分数阶乘设计筛选关键影响因素，再通过I-最优设计优化吸附条件；利用动力学模型和等温线模型研究吸附机理；最后运用 Analytical Eco-scale、GAPI和AGREE等工具评估方法的绿色性。

表征结果

通过高分辨率透射电镜(HR-TEM)分析显示，合成的氧化铁纳米颗粒呈近似球形，平均直径小于10纳米，具有明显的聚集倾向，这种结构为吸附提供了更大的比表面积。X射线衍射(XRD)图谱在2θ为30.2°、35°、43.3°、53°、57°和62.9°处显示出典型的磁铁矿衍射峰，证实了纳米颗粒的结晶度和相纯度。

色谱方法开发与验证

研究人员建立的HPLC方法采用Kinetex C18色谱柱(100 mm × 4.6 mm，5 μm)，以pH 6.8的磷酸盐缓冲液-甲醇(75:25, v/v)为流动相，流速1 mL/min，检测波长288 nm。该方法在10-50 μg/mL浓度范围内呈现良好线性(r>0.999)，检出限(LOD)和定量限(LOQ)分别为2.25 μg/mL和6.83 μg/mL。方法学验证显示日内、日间精密度RSD均小于2%，回收率达101.71±2.02%，符合ICH指导原则要求。

实验设计优化

分数阶乘设计结果表明，氧化铁纳米颗粒剂量、pH和接触时间是影响头孢克肟去除率的显著因素(P<0.05)，而二氧化钛和还原氧化石墨烯的添加影响不显著。基于此，研究人员采用三因素两水平的I-最优设计进行深入优化，建立了二次多项式模型，该模型具有高度显著性(P<0.0001)，确定系数R²达0.9975。

变量交互作用

响应面分析显示，pH是影响吸附过程的最主要因素，这与氧化铁纳米颗粒的等电点特性密切相关。在酸性条件下(pH 3.0)，纳米颗粒表面带正电荷，与带正电的头孢克肟分子产生静电排斥，导致吸附率较低。随着pH升高至5.9，纳米颗粒表面电荷转为负电，通过氢键和离子-偶极相互作用与药物分子有效结合。Derringer期望函数确定的最优条件为：纳米颗粒剂量13 mg/L、pH 5.9、接触时间180分钟，此时预测去除率达89.47%。

吸附动力学与等温线

动力学研究表明，伪二级模型(R²=0.9792)比伪一级模型(R²=0.8443)更能准确描述吸附过程，表明化学吸附是速率控制步骤。等温线研究显示，Langmuir模型(R²=0.9828)优于Freundlich模型(R²=0.8962)，说明头孢克肟在纳米颗粒表面形成单分子层吸附，最大吸附容量达23.095 mg/g。

绿色性评估

通过Analytical Eco-scale、GAPI和AGREE三种工具对HPLC方法进行绿色性评估。Analytical Eco-scale得分为82分，属于优秀等级；GAPI评估显示在样品采集、溶剂用量和毒性方面表现良好；AGREE综合得分为0.64，表明方法具有较好的环境友好性。这些评估结果为方法的可持续应用提供了科学依据。

研究结果表明，基于磁性氧化铁纳米颗粒的吸附法能有效去除废水中的头孢克肟，最优条件下实际去除率达87.55%，与预测值偏差仅1.9%。该方法不仅操作简便、成本低廉，而且通过磁性分离实现了纳米颗粒的循环利用，避免了二次污染。更重要的是，研究建立的HPLC监测方法具有高灵敏度、高准确度和良好的绿色性，为水环境中抗生素残留的监测提供了可靠手段。

这项研究的创新之处在于将实验设计优化与绿色化学理念相结合，为抗生素污染控制提供了技术支撑。该方法易于放大实施，在工业废水处理、医院污水净化等领域具有广阔的应用前景。未来研究可进一步探索纳米材料改性、吸附机制深入解析以及实际水体中的应用验证，为推动水环境保护技术的发展做出重要贡献。