基于羧甲基纤维素钠的多组分吸附剂(PGC)合成及其对水产养殖水中四环素类抗生素的高效去除机制研究

为解决越南水产养殖业中四环素(TC)抗生素滥用导致的环境污染问题，研究人员通过响应面法(RSM)优化合成了一种新型纤维素基多组分吸附材料(PGC)。该材料以羧甲基纤维素钠(CMC)为基质，经戊二醛(GA)和聚乙烯醇(PVA)交联，Ca2+/Zn2+改性，通过表面络合、静电相互作用等机制实现70%的TC去除率，最大吸附容量达123.2 mg·g?1，为水产废水处理提供了绿色解决方案。

　　

水产养殖业是全球经济的重要支柱，尤其在越南等沿海国家。然而，随着养殖规模扩大，四环素类抗生素(TCs)的过度使用引发严重环境问题——抗生素残留通过食物链威胁人类健康，同时破坏水生生态系统。传统处理方法如活性炭吸附效率低，膜技术成本高昂，光化学降解受水质影响大。如何开发高效、低成本且环境友好的去除技术成为当务之急。

针对这一挑战，来自越南的研究团队在《Beilstein Journal of Nanotechnology》发表研究，利用农业废弃物衍生的羧甲基纤维素钠(CMC)为基质，通过响应面法(RSM)优化设计，合成了一种新型多组分吸附材料(PGC)。该材料整合了聚乙烯醇(PVA)的羟基交联网络、戊二醛(GA)的稳定架桥作用，以及Ca²⁺/Zn²⁺的金属配位能力，实现了对四环素(TC)、金霉素(CTC)等抗生素70%以上的去除率，最大吸附容量达123.2 mg·g^?1，为水产废水治理提供了可持续解决方案。

研究采用四大关键技术：1) 响应面法(RSM)优化合成参数；2) 场发射扫描电镜(FE-SEM)和能量色散X射线光谱(EDX)表征材料形貌与元素分布；3) 傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析官能团变化；4) 高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MS/MS)定量抗生素残留。

【实验优化】
通过RSM确定最佳合成条件：CMC 1.5 g、PVA 1.0 g、GA 0.01 mL、Ca²⁺/Zn²⁺摩尔比0.1。交互作用分析显示，过量PVA会增加溶液黏度，而高浓度GA会溶解PVA破坏材料稳定性。

【材料表征】
FE-SEM显示PGC表面分布200 nm的ZnO纳米颗粒，原始CMC管状结构转变为薄膜形态。FTIR证实Ca-O(568 cm^?1)和Zn-O(668 cm^?1)键的形成，EDX检测到Zn含量从12.45%提升至22.24%。BET测定比表面积为1.3543 m²·g^?1，平均孔径18.93 ?。

【吸附机制】
在pH 6-7时，Ca²⁺与TC形成1:3络合物（主导机制），同时存在四种作用：1) 表面络合（Ca²⁺与TC的β-酮烯醇结构）；2) 静电吸引（带正电的TC-N⁺与CMC的-COO^?）；3) 氢键（PGC的-OH与TC）；4) CH-π相互作用（芳香环与纤维素网络）。

【性能验证】
批次实验显示：40 mg PGC在60 mg·L^?1 TC浓度、pH 6-7条件下，12小时达吸附平衡。吸附符合准二级动力学和Langmuir模型，证实化学吸附主导。实际水样测试中，对四环素类（TC、OTC、CTC、DOX）平均去除率达60-70%，但腐殖酸会干扰吸附。

这项研究开创性地将农业废弃物转化为高性能吸附剂，其优势体现在三方面：首先，通过Ca²⁺络合增强选择性，克服传统物理吸附易脱附的缺陷；其次，Zn²⁺改性提升材料稳定性；最后，RSM优化确保工艺可放大性。尽管存在腐殖酸干扰的局限性，但PGC材料为水产抗生素污染治理提供了兼具环境效益与经济可行性的新策略，尤其适合在越南等农业国家推广，实现"以废治污"的循环经济模式。未来研究可进一步优化材料孔隙率，提升对复杂水基质的抗干扰能力。