《South African Journal of Chemical Engineering》：Enhanced Removal of Amoxicillin from Synthetic Wastewater using Surface-Modified Carbon Nanotubes: Synthesis, Characterization, and Process Optimization
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研究人员采用化学气相沉积（CVD）法在经KOH活化的粉末活性炭（PAC）基底上合成了碳纳米管（CNTs）。通过酸功能化（H?SO?/HNO?）处理改善了CNTs的表面性质并提升了其吸附容量。与未功能化的CNTs相比，功能化CNTs展现出更优异的吸附性能。动力学
研究人员采用化学气相沉积（CVD）法在经KOH活化的粉末活性炭（PAC）基底上合成了碳纳米管（CNTs）。通过酸功能化（H?SO?/HNO?）处理改善了CNTs的表面性质并提升了其吸附容量。与未功能化的CNTs相比，功能化CNTs展现出更优异的吸附性能。动力学、等温线及热力学分析结果表明，该吸附过程为吸热反应，且符合单分子层吸附模型（Langmuir模型），揭示了化学吸附为主要作用机制。功能化CNTs对阿莫西林（AMX）的去除表现出高效、稳定且可重复使用的吸附剂潜力。再生研究表明，氢氧化钠为最有效的再生剂，使得吸附剂在两个吸附-解吸循环后仍能保留显著的吸附容量。
随着制药工业的快速发展，含抗生素的废水排放已成为威胁生态环境和公共健康的重要污染源。阿莫西林（AMX）作为一种典型的β-内酰胺类抗生素，在环境中难降解且易富集，并可能诱导耐药菌的产生。常规污水处理技术（如膜分离、化学氧化、氯化等）往往面临运行成本高、易产生二次副产物等技术经济挑战。在众多替代方案中，吸附法因操作简便、适应性强、成本相对较低而受到广泛关注。碳纳米管（CNTs）凭借其高比表面积和独特的表面结构，在抗生素吸附去除方面展现出显著潜力，然而其疏水性和易团聚的特性限制了吸附效能，因此表面功能化改性是提升其性能的关键途径。在此背景下，研究人员旨在合成一种表面改性的CNTs吸附剂，系统考察其对水溶液中AMX的吸附行为，并通过实验设计优化操作参数，从而开发一种高效、经济且可重复使用的抗生素废水吸附材料。
研究人员采用化学气相沉积（CVD）法，在经KOH活化的粉末活性炭（PAC）基底上合成了碳纳米管，随后利用H?SO?/HNO?（3:1 v/v）混合酸在不同浓度（0.1、5、10 M）下进行回流功能化处理，以引入含氧官能团。通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）对合成及功能化后的材料进行了表征。研究人员以不同初始浓度（100和500 ppm）的AMX模拟废水为处理对象，开展了批量吸附试验，并采用响应面法（RSM）结合中心复合设计（CCD）对pH、温度及搅拌速度等关键操作条件进行优化。此外，通过伪一级、伪二级动力学模型、Langmuir与Freundlich等温线模型、范特霍夫（van't Hoff）热力学方程以及吸附-解吸循环实验，深入分析了吸附机理、热力学特性及吸附剂的再生性能。
在吸附剂筛选实验中，经过10 M酸处理的功能化CNTs（FNPs）表现出最高的AMX吸附容量（350.30±1.1 mg/g），明显优于未功能化的CNTs（65.22±1.6 mg/g）和商用CNTs（59.04±1.8 mg/g），并显著高于文献报道的多种吸附剂，如HNO?改性多壁碳纳米管（~159.4 mg/g）和磁性氧化石墨烯（~91.4–122.5 mg/g）。FTIR分析证实，酸处理成功在CNTs表面引入了羧基（–COOH）和羟基（–OH）等含氧官能团。XRD谱图显示，功能化后（002）衍射峰强度增强，表明晶格有序度提高且无定形碳被有效去除。TGA结果揭示了功能化CNTs在200–600°C范围内约50%的质量损失，对应表面含氧官能团的热分解，进一步验证了氧化改性的成功。SEM图像显示，功能化后的CNTs表面更为洁净，无定形碳杂质被有效消除，同时管束呈现一定程度的卷曲和剥离现象。
在吸附影响因素考察中，pH实验表明AMX吸附容量在pH 2时达到最大值（500 ppm时为626.16±4 mg/g），随pH升高而显著下降，这归因于AMX的解离状态（pKa≈2.68、7.49、9.63）与FNPs表面电荷（pHpzc为3–4）在不同pH条件下的交互作用，吸附机制涉及氢键、π–π堆叠、疏水作用及静电作用。吸附剂用量实验发现，增大剂量导致单位吸附容量下降，但提升了总去除率，综合考虑选取500 ppm体系用量为1.5 g/L，100 ppm体系为0.5 g/L。吸附平衡时间分别在5小时（500 ppm）和6小时（100 ppm）达到；搅拌速度对吸附容量无明显影响，暗示该过程受化学吸附控制而非外扩散控制。温度效应研究表明，升温有利于吸附，在50°C后趋于平衡，表明吸附过程为吸热反应。基于之前单因素实验结果，RSM优化确定了最佳条件为：pH 2、温度50°C、搅拌速度600 rpm，此时模型预测最大吸附容量为347 mg/g（500 ppm）和230 mg/g（100 ppm）；方差分析（ANOVA）表明模型显著（F值74.04和42.61，P<0.05），回归系数R2分别为0.9852和0.9746，证实模型具有良好预测精度。
动力学拟合结果表明，AMX在FNPs上的吸附更符合伪二级动力学模型（500 ppm时R2=0.9929，100 ppm时R2=0.9648），且理论平衡吸附容量与实验值接近，表明化学吸附为主导机制。颗粒内扩散模型进一步揭示，500 ppm体系的吸附经历三个阶段，限速步骤为最终活性位点吸附；100 ppm体系的速率控制步骤为颗粒内扩散。等温线拟合显示，Langmuir模型（R2=0.9759和0.9979）较Freundlich模型更适用于描述吸附平衡，说明AMX在FNPs表面形成均一的单分子层吸附；无量纲分离因子R_L值介于0–1之间，证实为有利吸附。热力学参数计算表明，吸附过程具有正的表观焓变（500 ppm时为228.39 kJ/mol，100 ppm时为173.50 kJ/mol）和正的表观熵变，表观吉布斯自由能随温度升高而降低且均为负值，由此确认该吸附过程为自发的、吸热的化学吸附。
在再生与重复使用研究中，研究人员比较了NaOH、HCl和NaCl三种再生剂的脱附效果。结果显示，NaOH为最有效的再生剂，但经过两个吸附-解吸循环后，吸附容量和去除率均显著下降，500 ppm和100 ppm体系分别仅保留约42%和38%的初始吸附容量。FTIR分析表明，AMX与FNPs之间形成了强烈的化学结合力，导致吸附质难以彻底脱附，并存在活性位点被残余吸附质或钠盐堵塞的可能。这反映出该材料虽具备优异的吸附性能，但长期循环稳定性仍有待提升。讨论部分进一步指出，与沸石（zeolite）、金属有机骨架（MOFs）等其他多孔材料相比，FNPs的优势在于其石墨烯管状结构提供了大量π电子位点，同时通过酸氧化引入的含氧官能团增强了极性相互作用，从而在复杂的废水处理场景中具有潜在的适用性。然而，真实废水基质中的竞争共存离子和有机物可能会削弱其吸附效率。
研究结论指出，本研究成功制备了酸功能化的碳纳米管，并验证了其作为AMX高效吸附剂的可行性。最佳吸附条件为pH 2、温度50°C、搅拌速度600 rpm。在初始浓度为500 ppm、吸附剂投加量1.5 g/L条件下，经6小时反应，最大吸附容量达到357.14 mg/g；对于100 ppm体系，在投加量0.5 g/L下经5小时吸附，最大吸附容量为250 mg/g。整个吸附过程为自发的、吸热的化学吸附过程，符合Langmuir单分子层吸附模型和伪二级动力学模型。尽管该吸附剂在再生循环中表现出中等可重复使用性和有限的长期稳定性，但综合考虑其出色的吸附能力和相对简便的制备工艺，酸功能化碳纳米管仍是一种有前景的、经济高效的抗生素污染水处理吸附材料。
