卡马西平在由富铁污泥制成的自赋磁性能生物炭上的吸附作用

《RSC Advances》：Adsorption of carbamazepine on self-endowed magnetic biochar produced from iron-rich sludge

铁污泥制备的自生磁性生物炭在5 mg L?1卡马西平废水中的吸附效率达90.1%，表现出宽pH适应性、可磁分离回收及5次循环后81.4%的高效再生特性。吸附机制涵盖孔隙填充、配位、π-π相互作用及氢键。

　　本研究聚焦于一种新型的吸附材料——自赋磁性污泥生物炭（FBC）的制备与应用，旨在解决水体中难降解药物残留污染的问题。随着人类对药物的需求不断增加，药物及其代谢产物在自然水体中的浓度也显著上升，成为环境治理中的一个重点挑战。以卡马西平（CBZ）为代表的药物因其高水溶性和强抗生物降解性，长期存在于水环境中，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。因此，开发一种高效、经济且环保的去除药物的方法显得尤为重要。传统方法如膜分离、高级氧化工艺和电化学处理虽然有效，但往往成本高昂、操作复杂，难以在实际应用中大规模推广。相比之下，吸附法因其高效、简便和低成本的优势，成为药物去除研究中的热点。

生物炭作为一种天然有机材料，因其来源广泛、成本低廉和环境友好性，被广泛用于水体污染物的去除。然而，传统生物炭的制备通常需要添加磁性材料，如铁、钴或镍等，以增强其分离性能。这一过程不仅增加了制备成本，还可能引入额外的污染风险。为此，本研究提出了一种创新性的方法，即利用富含铁的污泥直接进行一步式热解制备自赋磁性生物炭。这种方法无需额外添加磁性物质，避免了复杂的合成步骤和高昂的材料成本，同时充分利用了污泥这一工业副产品，实现了资源的再利用。

在实验过程中，研究人员通过控制热解温度（300至900°C），制备了不同特性的生物炭样品。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，随着热解温度的升高，生物炭的表面结构变得更加粗糙和多孔，表明其比表面积和孔隙体积显著增加。这为CBZ等污染物提供了更多的吸附位点，从而提高了去除效率。此外，氮气吸附-脱附测试（BET）进一步验证了这一趋势，具体表面积从FBC300的4.36 m2/g增长至FBC900的57.28 m2/g，而平均孔径则从24.25 nm逐渐缩小至8.58 nm。这种变化意味着，随着热解温度的提高，生物炭的孔结构逐渐向微孔发展，增强了其对污染物的吸附能力。

X射线光电子能谱（XPS）分析揭示了FBC样品的表面化学组成变化。随着热解温度的升高，样品中的Fe(III)比例逐渐降低，Fe(II)比例则持续增加，表明铁氧化物在热解过程中被还原为磁性更强的Fe3O4。这一特性使得FBC在吸附后能够通过外部磁场实现高效回收，从而解决了传统生物炭在使用后难以分离的问题。研究人员发现，FBC900的饱和磁化强度（Ms）达到0.85 emu/g，远高于其他温度下的样品，表明其具备优良的磁性。

吸附实验表明，FBC900在初始CBZ浓度为5 mg/L、投加量为0.9 g/L的条件下，CBZ的去除效率可达到90.1%。这一结果在广泛的pH范围内表现稳定，说明FBC900对CBZ的吸附不受环境pH值的显著影响。此外，通过吸附动力学和等温线分析，研究人员发现CBZ的吸附过程更符合伪二级动力学模型和Langmuir等温线模型，表明吸附主要为单分子层化学吸附。这为理解FBC900的吸附机制提供了理论依据。

为了进一步验证FBC900的吸附性能，研究人员还测试了其对其他几种常见药物（如布洛芬、四环素、氧四环素盐酸盐、左氧氟沙星和双氯芬酸）的去除效果。结果表明，FBC900在0.9 g/L的投加量下，对这些药物的去除率均超过90%。这一结果不仅证明了FBC900在CBZ吸附中的有效性，还展示了其在多种药物去除中的广泛应用潜力。

吸附机制的研究通过红外光谱（FTIR）分析进行。结果显示，CBZ的吸附涉及多个过程，包括孔隙填充、配位作用、π-π相互作用和氢键作用。其中，孔隙填充是主要的吸附途径，而其他作用机制则在不同条件下起到辅助作用。这种多机制协同作用使得FBC900在不同环境条件下均能表现出良好的吸附性能。

在实际应用中，吸附材料的可重复使用性是衡量其性能的重要指标。实验表明，FBC900在连续使用五次后，其对CBZ的去除效率仍能保持在81.4%以上，显示出良好的稳定性和可回收性。此外，对FBC900的浸出实验表明，其在使用过程中不会释放大量有机物和重金属，进一步证明了其在环境中的安全性和适用性。

综上所述，本研究通过一步式热解法成功制备了自赋磁性污泥生物炭，不仅有效提高了其对CBZ等药物的吸附能力，还实现了材料的高效回收和再利用。这种材料的制备方法为解决工业污泥处理和水体药物污染问题提供了一种新的思路。通过合理调控热解温度，可以优化生物炭的物理和化学性质，使其在不同污染物去除中发挥更大作用。同时，该研究还揭示了吸附过程中多种作用机制的协同效应，为后续的材料改性和功能拓展奠定了基础。

此外，本研究强调了工业废弃物的资源化利用。在水处理过程中，富含铁的污泥是常见的副产品，其产量逐年上升。通过将其转化为具有吸附功能的磁性生物炭，不仅减少了污泥处理的成本，还为环境治理提供了新的材料来源。这种材料的制备过程简单、成本低廉，且具备良好的环境适应性，具有广阔的应用前景。

在实际应用中，FBC900的吸附性能和磁性回收能力使其成为一种理想的水处理材料。它不仅能够高效去除水体中的药物污染物，还能通过外部磁场实现快速分离，降低了后续处理的复杂性。这种特性对于处理高浓度或复杂成分的水体污染尤为重要，因为传统的分离方法往往需要复杂的设备和高昂的能耗。相比之下，FBC900的磁性回收方式更加简便，能够在不破坏材料结构的前提下实现高效回收。

从经济角度来看，FBC900的制备方法相比传统磁性生物炭具有明显优势。传统方法需要额外添加磁性材料，增加了成本和工艺复杂度。而FBC900通过一步式热解直接获得磁性，不仅简化了制备流程，还减少了对额外材料的需求。这种材料的制备成本较低，使其在大规模应用中更具可行性。

从环境角度来看，FBC900的制备过程符合绿色化学的理念。利用工业污泥作为原料，不仅解决了污泥处理的问题，还减少了对环境的二次污染。此外，生物炭的制备过程主要依赖于热解，无需使用有害化学品，从而降低了对环境的影响。这种材料的使用，有助于推动环境友好型材料的开发，促进可持续发展。

从科学角度来看，本研究通过系统的实验和分析，揭示了FBC900的吸附机制和性能变化规律。这不仅有助于理解生物炭在药物去除中的作用机理，还为后续的材料改性和功能优化提供了理论依据。研究人员通过多种表征手段（如SEM、BET、XPS和FTIR）全面分析了FBC的物理和化学性质，从而为材料的进一步研究和应用打下了坚实的基础。

在实际应用中，FBC900的性能优势使其在多个领域具有广阔的应用前景。例如，在制药废水处理中，FBC900可以作为高效的吸附材料，帮助去除其中的药物残留。此外，其磁性回收特性也使其在处理高浓度污染物时具有更高的效率。对于需要频繁更换吸附材料的水处理系统，FBC900的可重复使用性能够显著降低运营成本。

本研究的创新之处在于，它提出了一种无需额外添加磁性物质的生物炭制备方法，实现了材料的自赋磁性。这种方法不仅简化了制备流程，还降低了成本，同时提升了材料的环境友好性。此外，研究还揭示了FBC900在多种药物去除中的应用潜力，表明其不仅适用于CBZ，还能够处理其他类型的药物污染物。

总的来说，本研究为解决水体药物污染问题提供了一种新的、高效的解决方案。通过合理利用工业副产品，FBC900不仅在性能上表现出色，还在经济性和环境友好性方面具有显著优势。未来，该材料有望在更广泛的水处理场景中得到应用，为环境保护和资源循环利用做出贡献。