TiO2纳米颗粒与氧化石墨烯同步吸附土霉素和铜(II)的对比研究及其环境行为启示

研究人员针对环境中抗生素与重金属复合污染问题，通过对比TiO2纳米颗粒和氧化石墨烯(GO)对土霉素(OTC)和Cu2+的同步吸附性能，揭示了材料表面特性对污染物协同去除机制的影响，为开发高效环境修复材料提供理论依据。

　　

随着工业化进程加速，抗生素和重金属复合污染已成为威胁生态环境和人类健康的重大挑战。土霉素(OTC)作为典型四环素类抗生素，与铜离子(Cu²⁺)在养殖废水中常形成稳定复合物，传统处理方法难以同步去除。这两种污染物不仅会诱导微生物耐药性，还可能通过食物链富集产生协同毒性。如何开发高效吸附材料并阐明其相互作用机制，成为环境科学领域亟待解决的关键问题。

越南胡志明市阮太胜大学（Nguyen Tat Thanh University）的研究团队在《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》发表最新成果，系统比较了TiO₂纳米颗粒和氧化石墨烯(GO)对OTC-Cu²⁺复合体系的吸附行为。研究人员采用批量吸附实验结合X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等表征技术，发现GO因具有更大的比表面积和丰富的含氧官能团，对OTC和Cu²⁺的同步吸附容量分别达到238.7 mg/g和85.3 mg/g，显著优于TiO₂的吸附性能。特别值得注意的是，GO表面羧基与Cu²⁺的螯合作用会形成"桥接位点"，进而通过π-π堆积增强对OTC的吸附，这种协同机制为设计多功能吸附材料提供了新思路。

【材料表征】

通过N₂吸附-脱附测试确定材料的比表面积和孔径分布，采用Zeta电位分析表征表面电荷特性，结合XPS解析元素化学状态变化。

【吸附动力学】

准二级动力学模型能更好描述吸附过程，表明化学吸附占主导地位。GO对Cu²⁺的吸附速率常数(k₂)达4.73×10^-3 g/(mg·min)，是TiO₂的2.1倍。

【等温吸附】

Langmuir模型拟合显示GO对OTC的最大吸附量(q_m)为315 mg/g，远高于TiO₂的127 mg/g。竞争吸附实验证实Cu²⁺存在时，GO对OTC的吸附量提升19.8%。

【机理分析】

FTIR证实GO的C=O键在吸附后发生红移，XPS显示Cu 2p_3/2结合能位移证实配位键形成。密度泛函理论(DFT)计算揭示Cu²⁺-OTC-GO三元复合物的结合能最低为-2.34 eV。

这项研究不仅阐明了纳米材料表面化学性质对污染物协同去除的关键作用，更创新性地提出"金属离子-有机污染物-吸附剂"三元作用机制。相较于传统单一污染物处理方案，GO展现出的同步吸附优势为实际废水处理提供了新材料选择。研究还指出，TiO₂在酸性环境中因表面羟基质子化导致的吸附性能骤降问题，而GO在pH 3-10范围内保持稳定吸附能力，这对复杂环境条件下的应用具有重要指导意义。该成果为开发高效环境修复材料提供了理论支撑和技术路径，对推动水污染治理技术进步具有显著价值。