基于污泥的复合生物炭在二元体系中对诺氟沙星和土霉素的吸附特性

《Biochemical Engineering Journal》：Adsorption characteristics of sludge-based composite biochar for norfloxacin and oxytetracycline in a binary system

制备基于活性污泥与蒙脱土的生物炭复合材料SBC-MMT，研究其单/双系统对诺氟沙星和四环素氧化的吸附性能，发现单系统吸附效率达98.68%和85.86%，双系统因竞争吸附效率降低，吸附机理涉及静电作用、氢键等，体现“以废治废”理念。

　　本研究围绕水体中抗生素污染物的去除问题展开，探讨了一种基于污泥的生物炭复合材料（SBC-MMT）在吸附抗生素方面的应用潜力。随着全球制药工业的迅速发展，制药废水的排放量逐年增加，这类废水通常含有高浓度的有机溶剂、难降解有机物以及药物残留，其中抗生素是典型的难降解污染物。这些物质不仅难以通过传统生物处理技术完全去除，还可能对生态环境和人类健康构成威胁。因此，开发高效、环保的抗生素去除技术成为当前水污染治理领域的重要课题。

研究团队通过将活性污泥与蒙脱石（MMT）共热解的方式制备了SBC-MMT吸附材料，并通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等多种手段对其物理化学性质进行了系统表征。实验结果显示，SBC-MMT在单组分系统中对诺氟沙星（NOR）和四环素（OTC）的去除效率分别达到了98.68%和85.86%，对应的吸附容量分别为106.43 mg/g和88.54 mg/g。而在双组分系统中，去除效率有所下降，分别为82.85%和68.65%，吸附容量降至67.04 mg/g和54.42 mg/g。这一现象表明，SBC-MMT在处理抗生素混合体系时存在一定的竞争吸附效应，且对NOR的吸附优先性高于OTC（K_NOR > K_OTC）。

从吸附动力学和等温线分析来看，SBC-MMT的吸附行为符合伪二级动力学模型和弗伦德利希（Freundlich）等温模型，这说明吸附过程主要依赖于化学吸附，且吸附表面具有异质性。进一步的机理研究表明，SBC-MMT对抗生素的吸附主要通过静电吸引、氢键作用、π-π相互作用以及离子交换等机制实现。这些吸附机制的协同作用使得SBC-MMT在去除抗生素方面表现出优异的性能。

本研究不仅验证了SBC-MMT作为吸附材料的有效性，还强调了其在实际应用中的重要价值。作为一种以污泥为原料的吸附材料，SBC-MMT符合“以废治废”的理念，即利用废弃物进行资源化处理，从而减少环境污染。同时，该材料具备良好的可重复使用性，能够有效降低处理成本，提高资源利用效率。此外，SBC-MMT的制备过程相对简单，且不需要复杂的化学修饰，这使其在大规模应用中具有较强的可行性。

污泥作为城市污水处理厂的副产物，其产量近年来持续增长。据研究数据，全球每年产生的城市污泥平均约为4500万吨干物质，而中国在2020年的污泥产量已超过6000万吨（按80%含水率计算），预计到2025年将达到10300万吨。污泥中含有大量的有机污染物、重金属、病原体等有害物质，若处理不当，将对土壤、地下水及空气质量造成严重影响。因此，如何实现污泥的高效、安全处理，成为环保领域亟需解决的问题之一。值得注意的是，污泥中还蕴含丰富的生物碳资源，其有机碳含量平均可达222.74 g/kg，若能充分回收利用，每年可产生超过1300万吨的碳资源。这表明，污泥不仅是一种需要处理的废弃物，更是一种潜在的可再生资源。

基于此，研究团队探索了污泥作为吸附材料的可能性，并通过共热解技术将其与蒙脱石结合，制备出具有更高吸附性能的SBC-MMT。蒙脱石是一种天然的粘土矿物，具有较大的比表面积和丰富的表面官能团，能够有效增强材料的吸附能力。而活性污泥则因其高碳含量和良好的结构稳定性，成为制备生物炭的理想原料。通过热解反应，活性污泥中的有机物转化为具有多孔结构的生物炭，而蒙脱石的加入则进一步优化了材料的表面特性，使其在吸附过程中能够更有效地与抗生素分子相互作用。

为了进一步评估SBC-MMT的吸附性能，研究团队设计了一系列实验，包括单组分和双组分体系下的吸附行为分析。在单组分体系中，SBC-MMT对NOR和OTC的去除效率均较高，表明其对这两种抗生素具有较强的吸附能力。而在双组分体系中，由于两种抗生素之间存在竞争吸附现象，其去除效率有所下降。然而，即便在混合体系中，SBC-MMT仍然表现出良好的吸附性能，能够有效减少水体中抗生素的浓度。这种竞争吸附效应不仅反映了材料对不同污染物的吸附选择性，也为实际应用中污染物混合体系的处理提供了理论依据。

除了吸附性能的评估，研究团队还对SBC-MMT的吸附动力学、等温线及热力学特性进行了深入分析。动力学研究表明，吸附过程遵循伪二级动力学模型，这表明吸附速率主要受到化学反应控制，而非单纯的物理吸附。等温线分析进一步证实了吸附行为的非线性特征，且符合弗伦德利希模型，说明吸附表面存在异质性，能够适应不同浓度下的吸附需求。热力学分析则表明，吸附过程在常温条件下具有较高的自发性和可行性，进一步支持了SBC-MMT在实际应用中的适用性。

从微观结构的角度来看，SBC-MMT的表面形貌和结构特性对其吸附性能具有重要影响。通过SEM图像分析发现，原始的SBC呈现出不规则的颗粒结构，并带有明显的宏观孔隙，这为其吸附能力提供了物理基础。而SBC-MMT的表面则呈现出更为复杂的结构，包括不规则的片状形态和粗糙的表面纹理，这些结构特征可能增强了其与抗生素分子之间的相互作用。此外，蒙脱石的加入还可能引入更多的活性位点，进一步提升了吸附材料的性能。

研究团队还对SBC-MMT的制备方法进行了优化，以确保其在吸附过程中的稳定性和重复使用性。通过控制热解温度、时间以及蒙脱石与污泥的比例，研究团队能够有效调节SBC-MMT的物理化学性质，使其在不同环境条件下均能发挥良好的吸附作用。此外，实验还考察了初始pH值和离子强度对吸附性能的影响，结果显示，在pH 7的中性条件下，SBC-MMT对NOR和OTC的吸附能力达到最佳状态。这表明，SBC-MMT在实际应用中需要结合水质条件进行适当的调整，以实现最佳的去除效果。

值得注意的是，本研究在吸附材料的开发上具有一定的创新性。相较于传统的吸附材料，如活性炭、纳米材料等，SBC-MMT具有成本低廉、来源广泛、制备简便等优势。同时，其吸附性能优于一些已有的吸附材料，表明其在抗生素去除领域具有较大的应用潜力。此外，研究团队还强调了SBC-MMT在促进循环经济发展中的作用。通过将污泥转化为吸附材料，不仅能够有效减少废弃物的排放，还能实现资源的再利用，符合可持续发展的理念。

在当前的环境治理技术中，吸附法因其操作简便、环境友好以及对多种污染物的适应性而受到广泛关注。然而，传统吸附材料往往存在成本高、来源有限等问题，限制了其在大规模应用中的推广。相比之下，SBC-MMT作为一种新型的吸附材料，其原料来源于城市污水处理厂的污泥，具有较强的可再生性和经济性。这不仅有助于解决污泥处理难题，还能为抗生素污染的治理提供新的思路和技术路径。

此外，本研究还对吸附机制进行了深入探讨。通过FTIR和XRD等分析手段，研究团队确认了SBC-MMT表面的官能团种类及其晶体结构，这些特性对吸附过程具有重要影响。例如，表面的羧酸基团、羟基等官能团可能通过静电吸引和氢键作用与抗生素分子发生相互作用，而蒙脱石的层状结构则可能通过π-π相互作用增强吸附效果。离子交换机制也可能在吸附过程中发挥作用，尤其是在处理含有高离子强度的废水时，这一机制能够有效提高吸附材料的去除效率。

从实际应用的角度来看，SBC-MMT不仅适用于实验室条件下的吸附实验，还具备在实际污水处理系统中应用的潜力。例如，在制药废水处理过程中，SBC-MMT可以作为高效的吸附剂，用于去除残留的抗生素，从而降低其对环境和生态系统的潜在危害。此外，该材料还可以用于其他类型的水体污染治理，如农业排水、工业废水等，具有较广的应用前景。

本研究的成果为抗生素污染治理提供了新的解决方案，同时也为污泥资源化利用开辟了新的途径。通过将污泥转化为吸附材料，不仅能够减少环境污染，还能实现资源的高效回收和再利用。这种“以废治废”的理念在当前的环保政策和可持续发展战略中具有重要意义，有助于推动绿色技术和循环经济的发展。

综上所述，本研究通过制备和表征SBC-MMT吸附材料，验证了其在去除抗生素方面的高效性。实验结果表明，SBC-MMT在单组分和双组分体系中均表现出良好的吸附性能，且其吸附机制具有较强的科学依据。此外，该材料的制备方法简单、成本低廉，具备良好的可重复使用性和环境友好性。因此，SBC-MMT不仅为抗生素污染治理提供了新的技术手段，也为污泥的资源化利用提供了可行的方案，具有重要的理论和应用价值。未来的研究可以进一步优化SBC-MMT的制备工艺，探索其在更复杂污染物体系中的应用效果，同时推动其在实际污水处理工程中的推广和应用。