环保型微波辅助合成Ni/Al-Spirulina platensis水炭复合材料，用于高效吸附环丙沙星

《Sustainable Chemistry One World》：Eco-friendly microwave-assisted synthesis of Ni/Al- Spirulina platensis hydrochar composites for efficient ciprofloxacin adsorption

高效吸附剂Ni/Al-SpHC通过微波辅助原位结晶法合成，利用螺旋藻水解炭增强其表面特性与活性位点，对诺氟沙星吸附容量达24.39 mg·g?1，120分钟内达平衡，伪二阶动力学模型，热力学为吸热，再生稳定性达88.10%。

　　这项研究介绍了一种新型的混合吸附剂——Ni/Al-SpHC，其通过微波辅助原位结晶法合成，使用的是由微波辅助水热碳化（MAHTC）处理得到的 Spirulina platensis 水炭（SpHC）。该吸附剂在去除水中的抗生素污染物方面表现出优异的性能，特别是对环丙沙星（CIP）的吸附能力。研究通过多种表征手段，如X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析，验证了Ni/Al-SpHC复合材料的成功制备，并展示了其增强的表面特性和丰富的活性位点。实验结果显示，该吸附剂能够在120分钟内达到吸附平衡，最大Langmuir吸附容量达到24.39 mg/g，显示出良好的吸附效率。此外，Ni/Al-SpHC在五次再生循环后仍能保留88.10%的初始吸附能力，证明了其出色的可重复使用性和稳定性。这些结果表明，Ni/Al-SpHC作为一种具有潜力的可持续吸附剂，为高效去除水中的抗生素污染物提供了新的解决方案。

在水环境中，药品污染物已成为一个重要的环境问题，因为它们可能对生态平衡和人类健康造成潜在威胁。抗生素的广泛使用，特别是在医疗、农业和水产养殖领域，导致其频繁出现在地表水、地下水甚至饮用水源中。环丙沙星作为一种常见的氟喹诺酮类抗生素，因其化学稳定性强和生物降解性差，被广泛检测到。其在水环境中的持久性和不断积累可能对非目标生物产生不利影响，并促进抗生素耐药细菌的出现。为了去除环丙沙星，研究者们已经探索了多种处理技术，包括高级氧化过程、膜过滤、生物降解和吸附等。尽管这些方法各有优势，但吸附技术因其操作简便、经济可行和高效率而受到特别关注，同时避免了产生有害副产物的风险。因此，开发高效的环丙沙星吸附剂成为当前研究的热点。

层状双氢氧化物（LDH）因其独特的层状结构、高阴离子交换能力和可调节的组成而被广泛用于环境修复。镍铝层状双氢氧化物（Ni/Al LDH）对多种污染物具有出色的吸附能力。然而，未经改性的LDH常常存在表面积小和机械稳定性差的问题，这可能限制其吸附效率和可重复利用性。为了解决这些问题，一种可行的方法是将碳材料作为结构支撑，这可以增加表面积、引入新的功能基团，并提高化学稳定性。为了克服这些限制，许多改性策略已被提出，通常是将LDH与碳材料或生物质衍生材料结合。已有研究表明，LDH的改性可以显著提高其吸附性能。例如，Zheng等人报道，用污泥衍生生物炭改性的CoFe@LDH对环丙沙星的吸附容量达到14 mg/g，远高于原始的CoFe材料。在另一项研究中，Wijaya等人发现，将Spirogyra sp.藻类加入NiCr-LDH中可以显著改善其结构和吸附性能。NiCr-SA复合材料的比表面积达到1.69 m2/g，约为原始NiCr-LDH（0.13 m2/g）的13倍。此外，该材料在三次吸附-脱附循环后仍能保持62.02%的去除效率，证明了其稳定性与可重复使用性。Juleanti等人则发现，将水椰皮水炭加入CaAl、MgAl和ZnAl LDH中可以提高复合材料的稳定性，这体现在其良好的吸附行为和重复测试中的稳定表现。然而，大多数研究使用的改性材料包括污泥生物炭、藻类生物质或木质纤维素水炭，这些材料通常存在异原子功能基团有限或氮含量较低的问题，从而限制了其对药品污染物的吸附能力。

水炭是一种通过水热碳化技术从生物质中制备的碳材料，因其可持续性和低成本而受到越来越多的关注。在众多生物质来源中， Spirulina platensis 藻类被特别认为是一种优良的前驱体，因为它富含含氮和含氧的表面功能基团，如-NH?、-OH和-COOH，并且具有天然的多孔结构。这些特性促进了多种吸附机制，包括静电相互作用、表面络合、氢键和与有机污染物如环丙沙星的π-π堆积。此外， Spirulina platensis 水炭的异原子丰富组成在与层状双氢氧化物结合时增强了电子相互作用和界面结合，从而提高了表面积、化学稳定性和整体吸附性能。这种协同作用使得 Spirulina platensis 水炭成为一种特别有前景的改性材料，用于开发高效率的层状双氢氧化物复合材料以去除抗生素污染物。

在水炭合成技术的发展中，微波辅助水热碳化（MAHTC）被突出为一种快速且节能的方法，用于将生物质转化为功能化的碳材料。与传统水热碳化相比，MAHTC显著缩短了反应时间，降低了能耗，并改善了所得水炭的物理化学特性，包括表面功能性和孔隙结构的发展。MAHTC所得水炭的特性使其特别适合与LDH进行复合，从而促进层状无机框架与功能化碳支撑之间的协同作用。

本研究是迄今为止首次报道通过微波辅助水热碳化技术将 Spirulina platensis 水炭与Ni/Al-LDH复合材料结合，用于环丙沙星的吸附。合成的Ni/Al-SpHC复合材料通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析进行了全面表征。研究系统评估了该复合材料对环丙沙星的吸附性能，并探讨了多种条件的影响，包括pH值、接触时间、吸附剂用量、初始浓度和温度。通过吸附动力学、吸附等温线和热力学参数的分析，进一步阐明了吸附的基本机制。此外，通过一系列吸附-脱附循环评估了该复合材料的可重复使用性。将通过MAHTC获得的 Spirulina platensis 水炭与Ni/Al结合，预计能够制备出具有更高吸附能力、稳定性和可重复使用性的吸附剂，从而为去除受污染水中的抗生素提供一种可持续的解决方案。