低温碳化生物炭负载锰铁层状双氢氧化物复合材料高效同步降解水中多重抗生素的性能与机制

针对复杂水体中多重抗生素污染治理难题，吉林科研团队创新性地利用LiBr熔盐水合物预处理玉米秸秆，在140℃低温下制备均匀碳球（140-0.6-CC），通过零价钴修饰和MnFe-LDH原位生长构建MnFe-LDH@Co-CC复合材料。该材料激活过一硫酸盐（PMS）产生1 O2 、?OH、?O2 ? 和SO4 ?? 等多种活性氧物种，实现4℃低温环境下高效同步降解阿莫西林（AMX）、四环素（TC）等混合抗生素，为复杂水环境修复提供新策略。

　　

抗生素污染已成为威胁全球水环境安全的重大挑战。随着制药、农业和医疗行业的快速发展，水体中残留的抗生素不仅诱导细菌耐药性，其复杂混合存在形态更使传统处理技术捉襟见肘。尤其令人担忧的是，现有研究多聚焦单一抗生素的去除，而实际水体往往同时存在阿莫西林（AMX）、四环素（TC）等结构迥异的多种抗生素，且浓度跨度极大——从地表水的痕量水平到制药废水的超100 mg/L。这种复杂性使得基于高温热解的生物炭材料（通常需400-800℃）面临能耗高、适应性差的瓶颈，而均相催化体系又存在金属离子溶出的二次污染风险。

针对这一系列难题，吉林的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新成果。他们开创性地采用LiBr熔盐水合物预处理玉米秸秆，在140℃的低温条件下成功制备出具有高比表面积的均匀碳球（140-0.6-CC）。通过零价钴修饰和锰铁层状双氢氧化物（Layered Double Hydroxide, LDH）原位生长技术，构建出MnFe-LDH@Co-CC复合材料，建立起吸附-降解协同的新型催化体系。该材料在激活过一硫酸盐（Peroxymonosulfate, PMS）过程中，展现出对pH变化和共存离子的强耐受性，甚至在4℃低温下仍保持优异性能。机理研究表明，单线态氧（¹
O₂
）在羟基自由基（?OH）、超氧自由基（?O₂
^?
）和硫酸根自由基（SO₄
^??
）等多种活性氧物种中起主导作用，实现了混合抗生素的高效同步降解。

研究团队运用三大关键技术：熔盐水合物辅助低温碳化技术（以LiBr破坏生物质氢键网络）、零价钴负载工艺（通过还原法在碳球表面分散金属活性位点）、以及LDH原位生长法（利用共沉淀构建二维层状结构）。从吉林市郊农场获取的玉米秸秆经粉碎后作为生物炭前体，通过SEM、XPS等表征手段证实材料具有丰富的含氧官能团和稳定的金属价态分布。

【材料表征】
电镜分析显示预处理后的碳球直径均匀（140-0.6-CC），零价钴的引入未破坏碳骨架结构，而MnFe-LDH的片状结构成功包覆形成核壳形态。X射线光电子能谱证实材料中存在Co⁰
/Co²⁺
氧化还原对和Fe³⁺
/Mn³⁺
协同活性中心。

【催化性能】
在包含AMX、TC、磺胺甲恶唑（SMX）和诺氟沙星（NOR）的混合体系中，MnFe-LDH@Co-CC/PMS系统30分钟内去除率达90%以上。低温实验（4℃）显示其表观活化能仅为常规体系的1/3，淬灭实验证实¹
O₂
贡献率超过60%。

【机理分析】
电子顺磁共振捕获到?OH、SO₄
^??
等自由基信号，而L-组氨酸（L-His）对¹
O₂
的选择性淬灭使降解效率下降76%，表明非自由基途径的主导地位。金属溶出测试显示Co²⁺
浓度仅为0.28 mg/L，远低于国家标准限值。

该研究突破性地解决了生物炭制备高能耗与多抗生素同步去除的技术瓶颈。熔盐水合物低温碳化工艺较传统热解法节能80%以上，而LDH包覆策略使金属溶出风险降低两个数量级。更重要的是，这种"一材多效"的设计思路为复杂水体污染物治理提供了普适性方案——既能适应不同抗生素结构的电子云密度差异，又可应对浓度剧烈波动的实际场景。从环境工程角度看，该技术可直接应用于北方寒冷地区污水处理，其低温活性优势显著优于传统Fenton工艺。未来通过调控LDH层板金属比例，有望进一步拓展至全谱系新兴污染物的协同治理，为"双碳"目标下的绿色水处理技术发展注入新动能。