将桄榔果皮增值化转化为温度工程化水热炭，用于有效去除左氧氟沙星

《Chemical Engineering Research and Design》：Valorization of Arenga pinnata Peel into Temperature-Engineered Hydrochar for Effective Removal of Levofloxacin

　　HAp150实现了最大左氧氟沙星吸附容量为70.42 mg/g。水热温度控制着水热炭的吸附性能。在最佳条件下，120分钟内达到平衡。左氧氟沙星吸附遵循Freundlich和准二级动力学模型。HAp150经过五次循环后仍保持42%的吸附效率。引言清洁淡水的可利用性正日益受到人口快速增长、工业化以及新出现的污染物持续释放到水生生态系统中的威胁（Mu等，2025；Fitri等，2024）。药物残留，特别是抗生素，因其广泛存在（Al-musawi等，2024）、持久性（Chuaicham等，2022）以及潜在的生态和人类健康风险（Pal等，2024）而受到极大关注。这些化合物通过医院废水、生活污水、制药生产和农业活动等多种途径进入水环境（Wang等，2025）。不完全代谢可能导致约10–90%的氟喹诺酮类抗生素以原形排泄，导致其在环境中以ng/L至μg/L的浓度被检出（Bruckmann等，2025a）。在氟喹诺酮类药物中，左氧氟沙星具有特别高的尿排泄率，约79.6%以原形排出（图1a），从而增加了其释放到水生环境中的可能性（Wishart等，2018）。传统污水处理厂往往无法完全去除这些化合物（Bhagat等，2020），导致它们在地表水、地下水甚至饮用水源中积累（ANON，2024）。左氧氟沙星（LVX）是一种氟喹诺酮类抗生素，由于其在医疗中的广泛使用和高化学稳定性，成为水生环境中最常检测到的药物污染物之一（da Silva Bruckmann等，2025）。据报道，在医院和市政废水中，LVX的浓度范围从12到6.638 × 10^6 μg/L，表明其大量释放到水生系统中（Bruckmann等，2025a）。水生环境中的LVX污染令人担忧，因为它可能促进抗生素耐药性（Sahoo等，2020）、改变水生微生物群落，并即使在低浓度下也对非靶标生物产生毒性效应。其复杂的分子结构（Luo等，2024）会影响其与周围介质的相互作用，并可能增加从水中去除的难度。其在一定环境条件下的持久性，加上常规生物处理的局限性，使得有效去除LVX成为废水处理中的一个重要挑战（da Silva Bruckmann等，2025）。已探索多种技术用于从受污染水中去除抗生素，包括高级氧化、膜过滤、生物处理和吸附（Cui等，2025；Rohmatullaili等，2026）。吸附因其高去除效率（Normah等，2024）、操作简单、成本相对较低以及处理低浓度污染物的有效性（Ramadhan等，2025a）而仍然是一个有吸引力的选择。一种有效的吸附剂应结合高吸附容量、快速吸附动力学、足够的化学稳定性、目标污染物选择性和良好的再生能力，从而减少二次废物和整体处理成本（Wibiyan等，2024）。尽管活性炭常用于抗生素吸附，但其高生产成本（Arora等，2024）、能源密集型制造工艺和有限的可持续性阻碍了其大规模应用（Radovanovi?等，2025）。因此，开发来源于可再生和低成本生物质资源的替代吸附剂已成为重要的研究重点（Holliday等，2022）。在此背景下，水热碳化（HTC）已成为一种有效的热化学转化技术，用于将湿生物质转化为富含碳的材料，称为水热炭（Jeganathan等，2024）。HTC通常在150至250°C的中等温度下在水介质中进行，能够促进脱水、脱羧和聚合反应，从而提高所得水热炭的碳含量和表面官能团，而无需预先干燥原料（Gautam等，2024）。水热炭的理化性质高度依赖于HTC条件，特别是碳化温度（Waly等，2024）。温度的变化显著影响水热炭的碳化程度、芳香性、表面官能团、孔隙率和表面电荷（Li等，2019），这些在吸附性能中均起关键作用（Holliday等，2022）。先前的研究已证明水热温度在控制吸附行为中的重要性。Romero等（Romero等，2025）报道，水热炭在5分钟内实现87%的环丙沙星去除，显著高于生物炭（31%），表明更快的吸附动力学。类似地，Wu等（Wu等，2024）发现，在不同水热温度下制备的水热炭对诺氟沙星表现出不同的吸附性能，突出了碳化条件在决定吸附效率中的关键作用。然而，HTC温度、所得水热炭的理化特性及其对LVX吸附性能之间的关系仍未得到充分探讨。通过精心调节HTC温度，水热炭可以被设计出有利于通过静电相互作用（Rambli等，2025）、氢键、π-π相互作用和孔隙填充机制（Badaruddin等，2022）吸附药物污染物的表面特性。农业生物质废物为水热炭生产提供了可持续且环境友好的前驱体（Petrovi等，2026）。砂糖棕（Arenga pinnata）广泛分布于热带地区，包括印度尼西亚，其加工过程产生大量固体废物，特别是果皮形式（Apriliani等，2025）。Ilyas等（Ahmad等，2019）报道，砂糖棕生物质含有丰富的木质纤维素成分，包括43.88%纤维素、33.24%木质素和7.24%半纤维素，这些非常有利于开发碳质吸附材料。这些木质纤维素成分提供丰富的碳源和含氧官能团，在水热碳化后可有助于吸附活性（Arioen等，2026；Ratnaningsih和Intan，2025）。特别是，砂糖棕果皮衍生水热炭对LVX的去除潜力以及HTC温度对其吸附性能的影响尚未系统建立。尽管其可用性和良好的化学组成，砂糖棕果皮作为水热炭基吸附剂前驱体的利用仍然有限，特别是在去除水中抗生素污染物方面。在本研究中，通过在150、175、200、225和250°C五种不同温度下对砂糖棕果皮进行水热碳化合成水热炭，以系统研究碳化温度对材料性能和吸附性能的影响。制备的水热炭通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差热-热重分析（DT-TGA）、扫描电子显微镜（SEM）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积分析、Zeta电位和X射线光电子能谱（XPS）进行表征。水热炭对LVX的吸附性能通过考察溶液pH、接触时间、初始抗生素浓度和温度的影响进行评估。进行了动力学、平衡和热力学分析，以表征吸附行为并提供对潜在吸附机制的见解。此外，进行了再生实验，以评估水热炭在多个吸附-解吸循环中的稳定性和可重复使用性。这项工作展示了砂糖棕果皮衍生水热炭作为从水系统中去除LVX的可持续、低成本且高效吸附剂的潜力，同时为水热碳化温度在调节吸附性能中的作用提供了基础见解。章节片段化学试剂与仪器本工作中使用的所有试剂和化学品均为分析纯级别，无需进一步处理或纯化即可直接使用。砂糖棕果皮生物质采集自印度尼西亚南苏门答腊省的一个当地农业加工区（图1b）。使用WPLUS-RSO-016-100-ADR水净化系统在0.5 bar压力下生产的去离子水（H2O）用于所有合成和吸附实验。氢氧化钠（NaOH，≥98%，...）XRD表征使用X射线衍射对原料砂糖棕果皮（Ap）和在不同水热碳化温度下合成的水热炭的结晶特性进行了分析，如图2a所示。原料生物质的衍射图谱显示出宽且相对低强度的峰，表明主要由纤维素、半纤维素和木质素组成的木质纤维素材料的典型半结晶性质（Madhusudhan等，2025）。宽衍射特征...结论砂糖棕果皮衍生水热炭的吸附性能受到水热碳化温度的强烈影响。HAp150表现出最高的吸附容量（70.423 mg/g），这可能归因于在较低碳化温度下保留了含氧官能团和可及的吸附位点。吸附过程在120分钟内达到平衡，在接近中性的pH条件下观察到最高性能。该...未引用参考文献（Bruckmann等（2025b））CRediT作者贡献声明Aldes Lesbani：写作 – 审阅与编辑，监督，方法学，概念化。Mardiyanto Mardiyanto：监督，方法学。Navinda Ramadhan：写作 – 初稿，可视化，软件，调查。Yosi Saria：写作 – 审阅与编辑，可视化，调查，形式分析。Risfidian Mohadi：监督，方法学。Komis Komis：写作 – 初稿，可视化，调查。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能影响本论文中报告的工作。致谢作者衷心感谢斯里维贾亚大学无机材料与配位化合物研究中心在研究过程中提供的研究设施和技术支持。Yosi Saria|Navinda Ramadhan|Komis Komis|Risfidian Mohadi|Mardiyanto Mardiyanto|Aldes Lesbani