环境可持续的甘蔗渣基 ZrO2- 磷生物炭纳米复合材料用于抗抑郁药物吸附研究

研究人员针对水中三环类抗抑郁药物污染问题，开展 ZrO2- 磷生物炭纳米复合材料吸附研究，发现该材料吸附性能优异且环保可持续。

　　

研究背景

在现代社会，抑郁症已成为一种极为常见的心理健康障碍，全球约有 3 亿人深受其扰，每年近 80 万人因抑郁症自杀 。在治疗抑郁症的过程中，三环类抗抑郁药阿米替林（AMT）被广泛使用。然而，污水处理厂难以完全去除这种药物，导致其在水环境中残留，最高浓度可达 900 ng/L。这些残留的 AMT 对生态环境构成了严重威胁，因此，研发有效且环保的方法去除水中的 AMT 迫在眉睫。

在此背景下，来自埃及索哈杰大学化学系的研究人员开展了相关研究，成果发表在《BMC Chemistry》上。该研究聚焦于从甘蔗渣合成磷生物炭，并制备负载锆的磷生物炭纳米复合材料（ZrP400），探索其对水中 AMT 的吸附性能，致力于为解决制药废水处理难题提供有效方案。

研究方法

研究人员主要运用了材料制备、吸附实验、材料表征和模型分析等关键技术。首先，以甘蔗渣为原料，与磷酸按特定比例混合，经过一系列处理合成磷生物炭（PC），再通过浸渍法制备 ZrP400 纳米复合材料。随后，开展批次吸附实验，研究不同因素对 AMT 吸附效果的影响。利用 XRD、FTIR、TEM、BET 等多种表征技术，深入分析材料的结构和表面特性。最后，借助多种动力学和等温线模型，探讨吸附过程的机制和热力学性质。

研究结果

1. 复合材料的结构和表面特性：XRD 分析显示，ZrP400 纳米复合材料具有纳米尺寸的无定形石墨结构和 ZrO₂的晶体结构。FTIR 光谱表明，材料表面存在多种含氧和含磷的功能基团，ZrO₂的负载引入了新的化学键振动峰。通过 N₂吸附 / 脱附实验发现，ZrP400 具有介孔结构，适量 ZrO₂的负载可增大材料的比表面积和孔体积，但过高负载量会导致孔填充或堵塞 。EDX 和 TEM 结果证实，ZrO₂纳米颗粒均匀分散在碳基质上，材料呈现多孔特性。
2. AMT 的吸附性能：研究发现，ZrO₂的负载比例对 AMT 的吸附容量有显著影响，5ZrP400 吸附剂的吸附容量最高，可达 237 mg/g，去除率为 94.5%。溶液 pH 对吸附效果影响明显，在 pH 为 6 时，5ZrP400 对 AMT 的吸附效率最高，达到 106.6 mg/g。随着 pH 升高，吸附容量迅速下降。吸附剂用量增加时，AMT 的去除率提高，但单位吸附剂的吸附容量降低，2 g/L 被确定为最佳吸附剂用量 。AMT 的初始浓度和接触时间也会影响吸附过程，浓度越高、接触时间越长，吸附容量越大。
3. 吸附动力学和等温线：吸附动力学研究表明，伪二级动力学模型能更好地描述 AMT 在 5ZrP400 上的吸附过程，说明化学吸附是主要机制。吸附等温线研究显示，Freundlich 模型对吸附数据的拟合效果最佳，表明吸附过程发生在非均匀表面，存在多层吸附 。
4. 吸附热力学和再生性能：热力学研究发现，AMT 在 5ZrP400 上的吸附是一个放热且自发的过程。5ZrP400 吸附剂具有良好的再生性能，使用乙醇作为解吸剂，经过多次循环使用，仍能保持一定的吸附能力。

研究结论与意义

本研究成功制备了具有高比表面积和丰富孔隙结构的 ZrP400 纳米复合材料，该材料对水中 AMT 展现出优异的吸附性能。在中性 pH、35℃、吸附剂用量为 2 g/L 的条件下，ZrP400 对 AMT 的吸附容量高达 585 mg/g。吸附过程符合伪二级动力学模型和 Freundlich 等温线模型，表明化学吸附和物理吸附共同作用。此外，ZrP400 吸附剂可通过乙醇有效再生，提高了材料的可持续性。经 GAPI 和 AGREE 评估，该吸附过程具有良好的环境兼容性和可持续性。这一研究成果为解决水中抗抑郁药物污染问题提供了一种高效、环保的吸附材料和处理方法，在水净化和制药废水处理领域具有广阔的应用前景。