【文献精读】利用农业废弃物生物质开发新型生物炭吸附剂强化去除水中环丙沙星

研究背景

随着抗生素使用量的增加及其不当处置，水体中抗生素残留问题日益严重，尤其是环丙沙星（CIP）等氟喹诺酮类药物的广泛检出加剧了微生物耐药性风险。与此同时，印度等地区农业废弃物（如小麦秸秆）的露天焚烧导致严重空气污染。本研究旨在开发一种基于小麦秸秆的新型生物炭吸附剂，通过资源化利用农业废弃物实现水体中CIP的高效去除，同时减少环境污染。

研究亮点

研究通过热解和磷酸活化制备小麦秸秆生物炭（CWS和AWS），活化后吸附剂（AWS）对CIP的去除率高达98%，较未活化材料提升36-44%。实验揭示了吸附过程以单层表面吸附为主，符合Langmuir等温模型（R²=0.985），动力学服从准二级模型（R²=0.999），热力学表明吸附为自发吸热过程。研究还通过FTIR、XRD和BET分析阐明了孔隙填充、静电作用及π-π相互作用等多机制协同效应。

研究结果

优化实验表明，中性pH、室温条件下，AWS（1.0 g/L）在50分钟内对10 mg/L CIP的去除率达98%，最大吸附容量为14.51 mg/g。吸附能力随温度升高（5-25℃）小幅提升，活化后材料比表面积达219 m²/g，孔体积增加至0.271 cm³/g。表征证实AWS表面富含含氧官能团（如-OH、COOH），pHpzc为3.18，通过静电吸引和氢键强化了CIP吸附。

研究结论

小麦秸秆生物炭（尤其是磷酸活化AWS）可高效去除水中CIP，其低成本、高吸附容量（14.51 mg/g）及宽泛pH适应性（pH 5-7）展现了实际应用潜力。该技术不仅为抗生素污染治理提供了绿色方案，还通过农业废弃物资源化助力空气污染控制，符合可持续发展需求。

研究展望

未来需进一步探究生物炭再生性能及循环利用效率，优化规模化制备工艺以降低成本。同时，需评估复杂水体基质（如共存污染物、离子强度）对吸附的影响，并开展实际废水处理的中试研究。此外，结合生命周期分析（LCA）评估该技术的环境效益，推动其从实验室向工程化应用转化。

主要图文

图片摘要

图1. 小麦秸秆衍生的焙烧生物炭（CWS）和活化生物炭（AWS）的合成示意图

图2. 生物炭的特性表征(a) 小麦秸秆（WS）生物质的热重分析（TGA）和微商热重分析（DTG）；(b) WS、CWS和AWS的X射线衍射（XRD）分析；(c) WS、CWS和AWS的傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析；(d) CWS和AWS吸附剂的pHpzc

图3. 吸附剂用量对吸附CIP的影响（a）AWS和（b）CWS

图4. 不同参数对CIP吸附的影响(a) pH，(b) 接触时间，(c) 初始浓度，(d) 温度

图5. AWS和CWS吸附CIP的反应动力学（a-b）、吸附等温线（c）和热力学（d）

图6. CIP在水介质中吸附到生物炭表面的可能机制示意图

文章转自：《Chemosphere：利用农业废弃物生物质开发新型生物炭吸附剂强化去除水中环丙沙星》by生物炭材料

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/q6mz3xyRRHnyj3WwBefMow

原文献链接：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2025.144252