NaOH活化黄瓜秸秆分级多孔生物炭的简易合成及其对水体中强力霉素的高效去除

本研究针对水体中抗生素污染治理难题，开发了一种通过干混/热解法制备NaOH活化分级多孔生物炭（HPBC）的新工艺。以黄瓜秸秆为原料合成的HPBC具有超高比表面积（1409.75 m2 g?1 ）和丰富官能团，对强力霉素（DOX）的最大吸附量达552.30 mg g?1 （25°C），其吸附机制涉及孔隙填充、π-π作用和氢键等多重效应，为农业废弃物资源化与抗生素污染治理提供了创新解决方案。

　　

抗生素污染已成为全球水环境面临的严峻挑战。强力霉素（Doxycycline, DOX）作为四环素类抗生素的典型代表，因其抗菌谱广、成本低廉被广泛用于畜牧和医疗领域。然而，约70%的DOX会通过排泄物进入水体，诱发耐药菌株和抗性基因的扩散，直接威胁生态系统安全和公众健康。传统吸附材料如石墨烯复合物和金属有机框架虽效果显著，但复杂的制备工艺和高昂成本制约了其规模化应用。生物炭（Biochar, BC）因其原料来源广泛、成本低廉被视为理想替代品，但原始生物炭比表面积低、孔隙结构单一的问题亟待突破。

潍坊科技学院的研究团队创新性地提出"干混/热解"一体化工艺，以中国蔬菜主产区寿光产生的大量黄瓜秸秆为原料，通过NaOH活化制备出分级多孔生物炭（Hierarchical Porous Biochar, HPBC）。研究发现，HPBC具有独特的蜂窝状分级孔隙结构，其比表面积高达1409.75 m²
g^?1
，是原始生物炭（RBC）的368倍；孔径分布以1.8582 nm的介孔为主，同时存在0.3-1 μm的贯通大孔。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实材料表面富含羟基、羰基、氨基等活性官能团，为多重吸附机制奠定基础。

关键技术方法
研究采用干混研磨结合一步热解法（600°C）制备HPBC，通过扫描电镜（SEM）、比表面积分析（BET）、X射线光电子能谱（XPS）等系统表征材料特性。吸附实验考察了pH、剂量等因素影响，采用Avrami分数阶动力学和Sips等温模型解析吸附过程，结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Zeta电位分析揭示作用机制。

研究结果

材料表征
SEM显示HPBC呈现相互连通的蜂窝状结构，表面覆盖大量纳米级薄片孔隙，而RBC仅存在2-5 μm的孤立大孔。XPS证实HPBC的含氧官能团含量显著高于RBC，特别是C=O（羰基）含量增加2.3倍。

吸附性能
在pH=6时HPBC对DOX的去除率达98.7%，最大吸附容量达552.30 mg g^?1
（25°C），是RBC的12.6倍。Avrami模型表明吸附过程存在多分子层覆盖和表面扩散双重机制，Sips模型证实单层与多层吸附共存。

作用机制
孔隙填充贡献率约41.2%，π-π堆积（通过芳香环相互作用）和氢键分别占32.1%和18.5%，静电作用在pH>6时显著增强。

结论与意义
该研究开创了农业废弃物资源化的新路径，开发的干混/热解法较传统碱活化工艺减少能耗37%，废水排放量降低92%。HPBC对DOX的吸附性能优于多数报道材料（如石墨烯复合物的450 mg g^?1
），且再生5次后仍保持83%效率。研究成果发表于《Journal of Contaminant Hydrology》，为抗生素污染治理提供了兼具高效性、经济性和环境友好性的解决方案，对实现"双碳"目标下的废弃物增值利用具有示范意义。