一步法合成源自小麦粉尘的含硅生物炭用于去除盐酸土霉素：机理与生命周期评估

《Separation and Purification Technology》：One-step synthesis of Si-containing biochar from wheat dust for oxytetracycline hydrochloride removal: Mechanisms and life cycle assessment

　　

摘要

小麦粉尘（WD）是在小麦储存、运输和加工过程中产生的一种混合有机粉尘，其成分包括纤维素、灰分等。为实现其资源化利用，开发了一种"一步法"碱活化热解方法制备含硅生物炭（Si-WDB）。采用响应面法（RSM）优化了盐酸四环素（OTC）的吸附条件。Si-WDB的比表面积增加至241.75 m²/g，约为原始小麦粉尘（0.73 m²/g）的331倍。半定量孔结构分析表明，介孔相关的表面吸附贡献约占测量吸附量的72.47%。多尺度表征和DFT计算表明，内源性硅在热解过程中重新分布并结合到碳质基体中，提供含硅位点，这些位点可能通过局部含硅相互作用以及π-π EDA相互作用和氢键共同促进OTC的吸附。生命周期评价（LCA）证实了其较低的碳足迹（7.06 kg CO? eq/kg Si-WDB），凸显了废物资源化策略的环境可持续性。本研究建立了一条将富硅农业废弃物升级为生物炭吸附剂用于抗生素污染水修复的可持续途径。

引言

小麦粉尘（WD）是在小麦收获、运输、储存和加工过程中产生的混合有机粉尘[1], [2], [3]。其颗粒尺寸细小，主要成分包括淀粉、蛋白质、纤维素和灰分等。由于其固有的微米级颗粒结构，WD具有严重的爆炸风险和环境污染隐患[3], [4]。目前，大部分WD被填埋或焚烧，不仅造成资源浪费，还会产生大量细颗粒物排放，加剧空气污染。与传统的木质纤维素生物质不同，其独特的微米级形貌和高内源性硅含量使WD成为功能性材料的 promising 前驱体[5], [6]。因此，在材料转化过程中，它完全可以绕过传统工艺中耗能巨大的机械粉碎和筛分阶段，实现从原料直接进行低碳资源化利用。

与此同时，全球水环境正面临新兴污染物带来的严峻威胁[7]。作为一种在畜牧业和水产养殖业中广泛使用的典型四环素类抗生素，盐酸四环素（OTC）因其持久性[8], [9], [10]、生物蓄积潜力以及促进细菌耐药性产生的作用[9], [11]，已成为水体中的主要污染物。传统的生物降解和光解等技术在处理此类结构复杂的极性有机化合物时往往效率有限且成本较高[3], [12], [13]，这使得生物炭吸附技术成为一种极具前景的替代方案[3], [13]。

然而，原始生物炭通常存在吸附容量有限和对极性有机污染物选择性差等瓶颈[14]。大量研究致力于通过化学活化、杂原子掺杂和金属氧化物负载来改善其吸附性能[15], [16]。然而，这些改性方法经常依赖二次活化和外源杂原子的引入，显著增加了工艺复杂性、环境负担和生产成本[17]。虽然杂原子掺杂在调节碳骨架电子结构和活性位点方面卓有成效[18]，但利用生物质中固有矿物成分作为原位掺杂剂的研究相对较少。

值得注意的是，WD中含有丰富的无机矿物杂质，这些通常被视为不良成分，在传统生物炭制备中往往通过预清洗去除。本研究中，这些含硅杂质被有意保留而非消除。在碱活化热解过程中，碱性活化剂与这些杂质发生反应，使其原位嵌入碳骨架中。该策略将一种通常被废弃的成分转化为功能性含硅活性位点，在不借助外源硅的情况下实现了内源性掺杂。尽管这一潜力巨大，但内源性硅物种对OTC吸附的贡献及相关分子相互作用仍缺乏深入了解。

为弥补上述研究空白，本研究引入了一种"一步法"碱活化热解方法，实现了含硅生物炭（Si-WDB）的构建，该生物炭具有丰富的介孔和原位重构的表面活性位点。同时，该方法避免了耗能巨大的预处理步骤并无需外源杂原子掺杂剂。此外，采用响应面法（RSM）优化了OTC吸附条件。通过结合实验表征、半定量孔分析和密度泛函理论（DFT）计算的综合方法，阐明了吸附机理。通过生命周期评价（LCA）评估了整个生产过程的环境可持续性。

章节摘录

材料与试剂

小麦粉尘（WD）来源于中国郑州一家面粉厂小麦清理工段旋风分离器和脉冲除尘器的废弃物。使用前，将WD干燥并通过100目筛。OTC（C₂₂H₂₅ClN₂O₉，分析纯）购自阿拉丁试剂有限公司。其他试剂如KCl、NaCl和Na₂CO?（均为分析纯）购自天津市科密欧化学试剂有限公司。

生物炭的制备

将WD与NaOH按质量比1:0.5至1:2均匀混合，然后

生物炭制备条件的确定

生物炭的吸附容量取决于其表面化学环境和多孔结构的协同演化[27]，可通过调整制备参数进行优化[9]。如图S3a所示，当WD与NaOH的质量比从2:1变为1:1.5时，生物炭对OTC的吸附容量从64.99 mg/g上升至79.35 mg/g。这种增加归因于热解过程中NaOH诱导的碱性刻蚀，促进了碳基体重构和

结论

通过"一步法"碱活化热解工艺，以小麦粉尘为原料制备了一种新型含硅生物炭（Si-WDB），用于去除水体中的OTC。半定量孔结构分析和DFT计算表明，介孔相关的表面吸附为吸附提供了大量的空间贡献，而含硅位点以及π-π EDA相互作用和氢键则贡献了额外的局部分界面相互作用。采用响应面法（RSM）

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益关系或个人关系可能影响本文所述工作。

致谢

本研究得到了"河南工业大学青年骨干教师培养计划"（21421267）、"河南工业大学创新基金项目"（2022ZKCJ09）、"国家自然科学基金"（22408086）和"河南省自然科学基金"（252300423383）的资助。感谢山东大学高性能计算中心提供GAUSSIAN 09 Revision E.01软件包和高性能

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河南工业大学环境工程学院，中国河南省郑州市450001