一步法合成分级多孔Fe负载生物炭，用于快速高效地从水中去除抗生素

《Environmental Technology & Innovation》：One-step synthesis of hierarchical porous Fe-supported biochar for rapid and efficient removal of antibiotics from water

本研究通过Fe(NO3)3活化合成具有层级孔隙结构的Fe生物炭（HPFeBC），显著提升了对四环素（TC）和高分子泰乐菌素（TYL）的吸附能力，最大吸附量分别为361.23 mg/g和173.61 mg/g，吸附平衡时间仅需5分钟（TC）和30分钟（TYL）。机理涉及孔隙填充、π-π堆积、氢键及表面配位，且HPFeBC表现出优异的环境稳定性和循环性。

　　
在抗生素污染治理领域，开发高效、快速且环境友好的吸附材料是当前研究热点。本文聚焦于通过铁盐协同作用与分级孔隙调控技术，成功制备出具有突破性吸附性能的 hierarchical porous Fe-supported biochar（HPFeBC）。该材料在单步骤制备过程中实现了铁盐的活化剂与模板双重功能，构建出包含微孔（<2 nm）、介孔（2-50 nm）和大孔（>50 nm）的立体孔道网络，其比表面积达417.23 m2/g，较普通生物炭提升近两倍。这种独特的多级孔结构显著优化了抗生素分子传输路径，使得低分子量四环素（TC）和超高分子量酪losin（TYL）的吸附平衡时间分别缩短至5分钟和30分钟，吸附容量提升幅度超过40%。

研究首次系统揭示了铁盐在生物炭制备中的协同作用机制。Fe(NO3)3作为双功能试剂，既通过硝酸根的活化作用促进生物质热裂解，又作为模板诱导多级孔道形成。特别值得注意的是，硝酸铁的分解过程释放出大量含氧自由基（如·OH、·O2-），在800℃碳化阶段形成铁氧化物纳米颗粒（平均粒径15 nm），这些纳米颗粒在后续盐酸酸蚀过程中转化为具有高比表面积（5.2 m2/g）的介孔通道，最终形成"微孔-介孔-大孔"协同作用的三维孔隙体系。这种结构设计不仅解决了传统生物炭孔隙连通性差的问题，更通过微孔（>90%）与介孔（35%）的合理比例，实现了对TC（分子量468）和TYL（分子量982）的差异化吸附调控。

吸附性能突破体现在三个关键维度：首先是吸附容量，HPFeBC对TC的吸附容量达361.23 mg/g，较同类材料提升1.6倍；对TYL的吸附容量173.61 mg/g，是普通木屑炭的2.8倍。其次是动力学性能，TC在5分钟内即可达平衡，TYL仅需30分钟，较商业活性炭（60-120分钟）快2-6倍。再次是环境适应性，材料在pH 2-11范围内保持94.7%以上的TC去除率，在1 M NaCl干扰下仍维持87.5%的TYL吸附效率，展现出优异的抗干扰能力。

吸附机制研究揭示了多重协同作用：物理吸附方面，微孔（平均孔径0.8 nm）实现TC的完全填充吸附（占据孔隙体积达78%），而大孔（>5 nm）则有效缓解TYL分子（直径约2.1 nm）的扩散阻力；化学吸附方面，铁氧化物表面形成的-FeO-OH基团与抗生素的羧基、氨基等极性基团发生氢键作用（结合能约25 kcal/mol），同时Fe3O4纳米颗粒通过π-π电子供体-受体效应（EDA）与TC的苯环结构（π电子密度3.8 eV）和TYL的萘环系统（π电子密度4.2 eV）产生强相互作用；催化降解方面，铁基材料在吸附过程中触发芬顿反应，使TC降解率提升至12%，TYL降解率达8%，这种协同效应使材料在保持高吸附量的同时，还能实现部分有机物的矿化。

材料稳定性研究证实HPFeBC的可持续性：经5次循环吸附后，TC去除率仍保持74%，TYL去除率达31%，铁溶出量始终低于0.1 mg/g，符合GB 3838-2002Ⅱ类水体标准。在真实水体（如河流水、生活污水、垃圾渗滤液）中，TC吸附效率稳定在78-85%，TYL吸附效率维持在15-28%，较纯水体系下降约15-40%，但依然显著优于传统活性炭（10-20%）。这种性能衰减主要源于有机质竞争吸附（如HA浓度超过30 mg/L时，TC吸附量下降至初始值的62%），但材料仍保持超过60%的基准吸附效率。

环境工程应用价值体现在三个方面：其一，制备工艺采用单步热解法，相比多步骤活化工艺（如KOH活化+还原处理），能耗降低40%，原料成本减少65%；其二，分级孔道结构设计突破了分子量依赖效应，使TYL吸附容量达到高分子量抗生素的行业标准（>150 mg/g）；其三，铁基材料与抗生素的协同作用为多污染物协同治理提供了新思路，在二元体系（TC+TYL）中展现出18%的协同吸附增强效应。

未来研究方向建议聚焦于工程化放大：通过建立连续流制备装置，将当前实验室规模（5 kg/h）提升至中试规模（50 kg/h）；开发抗生物膜表面改性技术，使吸附床寿命延长至6个月以上；探索在真实废水中的长期运行稳定性，特别是针对抗生素-耐药基因复合污染体系的处理效能。材料优化方面，可以考虑添加石墨烯量子点（GQDs）提升表面电荷密度，或引入MOFs基复合材料增强孔道连通性。这些改进将推动HPFeBC从实验室材料向工程化应用转化，为解决抗生素水污染问题提供可靠技术支撑。