氨基功能化生物质基多孔炭增强磺胺类抗生素的水吸附亲和及敏感性
关键词：多孔碳，表面改性，抗生素吸附
摘要：随着抗生素污染问题日益引起人们的关注，先进的抗生素去除技术在环境科学领域受到了广泛的关注。本工作通过一种简单的化学改性方法，开发了一系列氨基功能化多孔炭材料(NH2-BPCs)，该材料可以有效地去除模拟废水中的磺胺类抗生素。抗生素在模拟水相中的吸附动力学和等温线研究表明，NH2-BPCs在酸性条件下(pH lt; 5)对磺胺嘧啶(SDZ)的吸附量较大，氨基改性后NH2-BPCs的吸附速率常数大大提高。结果表明，该方法对抗生素的去除速度快、效果好。这些结果表明，多孔碳表面氨基修饰是提高抗生素吸附亲和和效率的一种可行途径，在水修复方面具有很大潜力。
1 介绍
药物抗生素及其转化是新型污染物，广泛应用于医学、畜牧业和水产养殖业，预防和治疗细菌感染性疾病。磺胺类药物作为一类合成抗菌药物，因其对革兰氏菌具有广谱活性而广泛应用于兽药领域。大多数磺胺类抗生素不能被动物或人体完全吸收和代谢，导致抗生素暴露在环境中越来越过量。此外，耐药细菌(ARB)和抗生素耐药基因(ARGs)的发展和随后的传播往往会对生态系统产生严重影响，特别是对水资源带来威胁。磺胺类抗生素在水环境中的残留是长期积累并通过生物链传播的结果。除对生态环境产生不良影响外，还会导致耐药细菌的产生，进一步危害人类健康。
在对抗生素污染进行环境修复的探索中，广泛应用了多种生物和物理化学方法去除抗生素的技术已经进步。其中，物理处理过程已被发现是有效和经济的抗生素去除水相。此外，物理吸附被认为是去除废水中高浓度抗生素最有效的方法之一。目前，对磺胺类抗生素的吸附法的开发和应用进行了大量的研究。为了提高去除效率，研究了各种吸附材料来去除水相中不同形式的磺胺类抗生素。在这种背景下，生物质碳(BC，也被称为生物炭)、活性炭(AC)、功能聚合物和磁性材料对各种抗生素都显示出了显著的吸附能力，通过降低抗生素的活性和流动性，直到它们被灭活，从而实现抗生素的去除。
由于其优异的物理化学性质、丰富的微孔结构和大的比表面积(SBET)，使用活性炭去除磺胺类抗生素被发现是特别有效的，显示了对有机污染物的强大吸附能力。一般来说，ACs的制备一般分为物理活化和化学活化两种。与物理活化相比，化学活化具有更低的活化温度、更高的收率和更少的活化时间等优势。此外，活化剂可以是多功能的，包括酸，碱和金属盐。其中，氢氧化钾(KOH)已被广泛用于制备孔隙清晰、孔容大、比表面积大的ACs。然而，抗生素对ACs的吸附能力在很大程度上受到了限制，特别是在实际应用中，抗生素的选择性和敏感性较差，导致去除效率不理想。为此，近年来ACs的表面改性引起了特别的研究关注。几种方法包括酸和碱改性、表面氧化还原和金属离子改性已被用于ACs功能化。例如，腐植酸改性活性炭由于引入富氧官能团而表现出增强的吸附性能。此外，铁和锌离子也是ACs表面改性的热门候选材料。一般来说，这些改性技术的目的是增加ACs的比表面积或形成表面官能团，从而提高ACs的吸附能力。此外，官能团的表面修饰不仅定义了吸附剂与吸附剂之间的宿主-客体相互作用，即范德华力、氢键、pi;电子-受体相互作用，有效提高了ACs的吸附容量，增强了抗生素分子的吸附选择性和敏感性。特别要注意的是，多孔碳表面的杂原子，包括氧、氮、卤素等，可以与碳层的边缘结合，从而控制ACs的表面化学性质。值得注意的是，含氧和含氮官能团是最常见的种类。氨基改性是提高碳材料吸附效率的一种有前景的方法，其中吸附剂与吸附剂之间的超分子相互作用在吸附过程中起着重要作用。然而，对于氨基改性碳在抗生素吸附中的吸附动力学还不太清楚。
咖啡被认为是世界三大饮料之一，每年大约有600万吨固体残留物，即咖啡渣(CG) 。研究表明，cgs衍生碳材料可以作为水处理的优良吸附剂。因此，将CGs转化为活性炭(ACs)以满足抗生素废水处理的需要是目前研究的热点。本文以咖啡渣为原料，经炭化、化学改性和表面改性，制备了一系列氨基功能化的生物质基多孔炭材料(NH2-BPCs)。磺胺嘧啶(SDZ;4 -氨基-n-2-嘧啶基苯磺酰胺是人类和动物常用的抗感染药物，本研究选择其作为磺胺类抗生素的模型。本研究设想氨处理可以增加BPCs表面的氨基数量，提高其在水溶液中对抗生素的吸附亲和力和敏感性。此外，通过对NH2-BPCs吸附动力学模型和等温线的研究，揭示其吸附过程，旨在大幅改善和优化NH2-BPCs在水处理和环境修复中对磺胺类抗生素的去除。为此，研究了不同温度和pH条件下制备的NH2-BPCs的吸附性能，探讨了其对磺胺类抗生素的潜在吸附机理。
2 材料和方法
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