超支化聚酰胺胺化双醛纤维素水凝胶高效吸附去除左氧氟沙星及其吸附机理研究

本研究针对水环境中难降解抗生素左氧氟沙星（LEV）的污染问题，开发了一种新型超支化聚酰胺胺化双醛纤维素水凝胶（HBP-DAC@SA）。通过正交实验优化合成条件，该水凝胶对LEV的最大吸附容量达216.72 mg·g?1，吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型，经14次吸附/解吸循环后仍保持80%以上吸附性能，为抗生素污染治理提供了高效可再生的吸附材料解决方案。

　　

随着抗生素的广泛使用，抗生素污染已成为全球面临的重大环境问题。左氧氟沙星（Levofloxacin, LEV）作为第三代氟喹诺酮类抗生素，在水环境中难以降解且具有显著毒性，不仅会通过环境传播加剧抗生素耐药性的扩散，还可能在水生生物体内积累并对生态系统造成长期危害。现有污水处理技术如化学沉淀、电化学处理、混凝浮选等方法存在效率有限、易产生有毒副产物等局限性。相比之下，吸附法因操作成本低、污染小且去除效果好，正逐渐成为传统抗生素去除工艺的替代方案。

在此背景下，水凝胶作为一种新型多孔吸附材料，在吸附过程中能提供丰富的吸附位点，被广泛应用于水污染治理领域。然而传统纤维素吸附剂由于结晶区存在导致葡萄糖链移动性受限，吸附容量较低。通过化学修饰降低纤维素结晶度并增强其吸附能力成为研究热点，其中高碘酸钠氧化纤维素制备的双醛纤维素（DAC）因其易修饰特性受到关注。同时，超支化聚合物（HBP）具有三维结构和丰富的氨基官能团，可作为抗生素吸附的活性位点。

本研究通过将含多胺基的超支化聚酰胺（HBP）胺化并与DAC交联，成功制备出具有三维多孔结构的超支化胺化双醛纤维素水凝胶（HBP-DAC@SA）。研究人员采用扫描电子显微镜（SEM）、核磁共振光谱（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等技术对材料进行表征，通过正交实验考察合成温度、pH值和投加量对LEV吸附性能的影响，并开展吸附动力学、等温吸附和循环再生实验。

关键技术方法包括：通过高碘酸钠氧化法制备双醛纤维素；采用迈克尔加成和酰胺化反应合成超支化聚酰胺；利用Schiff碱反应将HBP接枝到DAC上形成三维网络结构；通过冷冻干燥技术获得多孔水凝胶材料；采用紫外可见分光光度法测定LEV吸附量。

材料结构分析表明，HBP-DAC@SA水凝胶呈现出典型的三维多孔结构，比表面积达5.27 m²·g^?1，平均孔径为21.20 nm，属于介孔材料。FTIR光谱证实HBP成功接枝到DAC上，XRD显示氧化处理降低了纤维素结晶度，TG分析表明材料在334°C以下具有良好的热稳定性。

环境因素影响研究发现，在30°C、pH=5、投加量20 mg条件下，HBP-DAC@SA对LEV的吸附效果最佳，最大吸附容量达216.72 mg·g^?1。酸性条件更有利于吸附，因低pH值时材料表面基团质子化形成正电荷，与带负电的LEV产生静电吸引。吸附动力学研究表明，吸附过程在70分钟内达到平衡，符合准二级动力学模型，表明吸附以化学吸附为主。

等温吸附机理研究表明，HBP-DAC@SA对LEV的吸附更符合Langmuir模型，表明为单分子层吸附。通过Scatchard和Klotz方程拟合发现，材料存在多种结合位点，结合常数分别为0.0178和0.0359，表明HBP的引入显著提高了吸附能力。热力学参数计算显示ΔG为负值，表明吸附过程自发进行，ΔH为负值表明为放热过程。

循环实验结果表明，HBP-DAC@SA经过14次吸附/解吸循环后，仍保持83.16%的初始吸附容量，证明其具有良好的可再生性和稳定性。与传统的DAC@SA水凝胶相比，HBP-DAC@SA的吸附容量提高近一倍，这主要归因于HBP提供的丰富胺基官能团和三维网络结构提供的更多吸附位点。

本研究成功开发了一种高效、可再生、环境友好的HBP-DAC@SA水凝胶吸附材料，对水环境中左氧氟沙星具有优异的吸附性能。整个制备过程在水相中进行，未使用有毒交联剂和有机溶剂，反应在室温下完成，相比传统纤维素胺化工艺能耗更低、操作更简便，更符合绿色化学原则。该研究为抗生素污染治理提供了新材料解决方案，对水凝胶合成和环境污染控制领域具有重要参考价值。HBP-DAC@SA水凝胶不仅吸附容量高、再生性能好，而且制备工艺环保，在实际水处理应用中展现出良好前景，为开发低成本、高性能、可再生环境友好型吸附剂提供了新思路。