CO2活化杏仁壳生物炭吸附甲硝唑的机制研究：DFT计算与抗生素废水处理应用

推荐：针对抗生素废水污染难题，研究人员通过CO2活化结合聚合物改性（PRC@HB/PHC@HB/PIC@HB）开发高效生物炭吸附剂，实现甲硝唑（MNZ）最高97.44%去除率，结合DFT计算阐明π-π堆积和氢键主导的吸附机制，为低成本水处理材料设计提供理论支撑。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战，尤其是甲硝唑（MNZ）等硝基咪唑类抗生素的持久性残留，不仅威胁生态系统健康，更可能加速抗生素耐药基因的传播。传统吸附材料如活性炭存在比表面积有限、选择性差等问题，而现有研究对MNZ特异性吸附机制的解析仍不充分。针对这一难题，河北师范大学化学与材料科学学院He Ren、Xiaolong Ma等团队在《Desalination and Water Treatment》发表研究，通过创新性结合CO₂活化与聚合物改性策略，开发出系列高性能生物炭复合材料，并结合密度泛函理论（DFT）计算首次系统揭示了MNZ的分子级吸附机制。

研究采用扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）和N₂吸附-脱附等技术表征材料特性，通过动力学、热力学实验分析吸附行为，并利用BIOVIA Materials Studio 2018的DMol3模块进行DFT计算，探究电子转移和分子相互作用。实验选用杏仁壳生物炭为基底，分别负载酚醛树脂（PRC）、腐植酸钾（PHC）和聚酰亚胺（PIC），在850-900°C下CO₂活化制备复合材料。

3.1 改性生物炭表征

SEM显示CO₂活化使材料表面形成丰富微孔结构，PRC@HB-30比表面积达346.4 m²/g，较未改性生物炭（9.2 m²/g）提升37倍。FTIR证实改性引入大量羟基（-OH）和羰基（C=O），接触角测试表明PHC@HB-50实现完全亲水（0°），而原始材料疏水（110.3°）。拉曼光谱IG/ID比值提升（0.41→0.48）反映石墨化程度增强。

3.2 吸附性能优化

在pH=6.1时，PRC@HB-30对MNZ去除率达97.44%，吸附量43 mg/g；PHC@HB-50表现更优（92.42%，114.5 mg/g），而PIC@HB-60效率较低（28.24%）。离子干扰实验显示PIC@HB-60抗干扰能力最强，Na⁺/Cl^-对其几乎无影响。

3.3 吸附机制解析

动力学符合准二级模型（R²>0.93），热力学揭示PRC@HB-30为自发放热过程（ΔH=-10.79 kJ/mol），而PHC@HB-50/PIC@HB-60为吸热过程。DFT计算显示PHC@HB吸附能最高（0.48251 eV），其HOMO（-6.412 eV）与MNZ的LUMO（-3.162 eV）能级差最小，促进电子转移；静电势分析证实氧官能团与MNZ的-NO₂形成氢键（键长1.8-2.1 ?），芳香环与咪唑环产生π-π堆积（间距3.3-3.6 ?）。

3.5 材料稳定性

再生实验表明PHC@HB-50经5次循环仍保持91.7%效率，FTIR证实表面官能团稳定性优异。

该研究通过多尺度实验-理论联用，不仅开发出性能可调的绿色吸附材料，更建立了“孔结构-表面化学-电子转移”协同调控策略，为抗生素吸附剂设计提供了范式。PHC@HB-50兼具高容量（114.5 mg/g）和强特异性吸附的特点，其腐植酸衍生碳基质的可扩展制备工艺，在工业废水处理中展现出显著应用潜力。未来通过调控CO₂活化参数与聚合物配比，有望进一步优化材料性能，推动生物炭在环境修复领域的实际应用。