磁性活性炭吸附盐酸土霉素的动力学机制与位点能量分布研究及其在抗生素废水处理中的应用

本文系统研究了磁性活性炭（MAC）通过碱性共沉淀法合成及其对盐酸土霉素（OTC）的吸附性能。研究表明，MAC在20-40°C范围内最大平衡吸附量达93-118 mg/g，吸附过程符合Langmuir模型，为自发吸热反应。通过FT-IR、XPS等表征技术揭示了π-π电子供体-受体（EDA）相互作用和氢键主导的化学吸附机制，位点能量分布（4-16 kJ/mol）证实其物理化学协同作用。该材料兼具高效吸附性与磁分离特性，为抗生素污染水体的绿色治理提供了新策略。

　　

1 引言

全球抗生素滥用导致水土环境中残留量激增，盐酸土霉素（OTC）作为四环素类代表药物，因其低利用率（约30%）大量排入环境，诱发耐药基因扩散。传统处理方法如化学氧化成本高，膜过滤易堵塞，而物理吸附法因操作简便备受关注。磁性活性炭（MAC）结合活性炭的微孔特性与Fe₃O₄的磁响应性，可解决吸附剂回收难题。前期研究显示，分子印迹磁性生物炭（MBC@MIPs）对OTC吸附量仅67.9 mg/g，亟需开发更高性能材料。

2 材料与方法

2.1 材料制备

将FeSO₄·7H₂O、FeCl₃·6H₂O与粉末活性碳在70°C碱性条件下共沉淀，制得MAC复合材料。

2.2 表征分析

TEM显示Fe₃O₄纳米颗粒（0.5-1.0 μm）均匀负载于活性炭表面（图2a）。BET测试表明吸附后比表面积从555 m²/g降至446 m²/g，平均孔径从4.8 nm缩至4.4 nm（图3b-c），证实OTC分子堵塞孔隙。XRD在30.2°、35.6°等处出现Fe₃O₄特征峰（图3e），VSM证实其超顺磁性（饱和磁化强度10.3 emu/g）。

2.3 吸附实验

考察pH（3-10）、温度（20-40°C）等因素影响。通过Langmuir模型计算q_m值，结合伪一级动力学（R²>0.95）和Elovich模型分析机制。

3 结果与讨论

3.1 吸附性能

MAC在pH=6时吸附最佳（图4e），因OTC以两性离子形态（OTCH₂⁰）存在，减弱静电排斥。温度升至40°C时q_m达117 mg/g（表3），ΔG为负值（-8.34至-10.12 kJ/mol），证实自发吸热特性。

3.2 机制解析

FT-IR显示吸附后O-H峰红移12 cm^-1（图3a），XPS检测到N 1s特征峰（400.3 eV），表明氢键和配位作用（图7f）。位能分布呈单峰曲线（图6b），4-16 kJ/mol区间对应化学吸附主导。π-π EDA相互作用通过苯环（C=C 284.7 eV）与MAC石墨结构实现（图7d）。

3.3 技术优势

相较传统Fe₃O₄（29 mg/g），MAC吸附量提升3倍（表4），且1分钟内磁回收率>95%。IPD模型揭示其两阶段吸附：快速表面结合（k_IPD1=2.13）与缓慢孔隙扩散（k_IPD2=-0.25）。

4 结论

MAC通过多机制协同实现OTC高效去除，其可调控的位点能量分布为设计新型环境材料提供理论依据。未来需探究共存离子影响及再生性能，推动实际工程应用。