高效磁性碳微球实现磺胺类抗生素水体去除与循环利用

摘要

本文报道了一种利用葡萄糖和Fe₃O₄纳米颗粒通过水热法合成磁性碳微球（MCMs）的简便方法。600 °C煅烧1 h得到的材料具有高达1228 m²/g的BET比表面积和0.448 m³/g的孔隙体积。MCMs在pH 4.0下对磺胺的最大吸附容量达24.6 mg g⁻¹，pH 10.0时降至19.2 mg g⁻¹。吸附符合Langmuir等温线和拟二级动力学，经四次再生循环后仍保持18.31 mg g⁻¹吸附量，展现出优异的再利用性。

背景

抗生素污染，特别是磺胺类，对水生生态系统和人类健康构成重大威胁。传统碳吸附剂难以从水中回收，限制了实际应用。将磁性纳米颗粒引入碳基质可制备磁性碳复合材料，可借助外部磁场轻松回收。虽然此类材料在染料和酚类去除方面已有探索，但针对磺胺去除的应用仍处于起步阶段。

方法

化学品与材料

所有试剂均为分析纯（国药集团、南京化学试剂有限公司、西龙化学有限公司）。全程使用蒸馏水。

Fe₃O₄纳米颗粒合成

FeCl₃·6H₂O (1.35 g)和NaAc·3H₂O (3.60 g)溶于40 mL乙二醇，转移至100 mL聚四氟乙烯衬里高压釜，200 °C反应8 h。产物经水和乙醇洗涤。

MCMs制备

0.1 g Fe₃O₄纳米颗粒分散于60 mL水中加入葡萄糖搅拌，200 °C水热处理11 h。所得微球经洗涤、浸渍40% ZnCl₂、干燥后，在N₂气氛下600 °C煅烧1 h。

表征

MCMs经透射电镜（TEM）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、振动样品磁强计（VSM）、BET分析和Zeta电位测量表征。吸附容量和动力学模型方程按原文描述应用。

吸附实验

磺胺溶液（50 mL）与MCMs（1 g L⁻¹）混合，300 K、120 rpm振荡。平衡后磁性分离吸附剂，在258 nm测定磺胺浓度。再生采用0.1 M NaOH解吸、超声搅拌、冲洗至pH 7。

结果与讨论

微观结构

TEM图像（图1）确认约200 nm Fe₃O₄核均匀包覆碳壳，形成球形MCMs。

光谱分析

FT-IR显示特征Fe–O伸缩振动（~574 cm⁻¹）和–OH宽带（~3462 cm⁻¹）。XRD确认立方磁铁矿相。

比表面积与孔隙度

BET分析（图3）显示600 °C/1 h煅烧样品（MCM-d）比表面积1228 m²/g，孔隙体积0.448 m³/g。ZnCl₂浸渍和更高煅烧温度是实现高孔隙度的关键。

磁性能

VSM数据（图4）显示饱和磁化强度42.3 emu g⁻¹，足以实现高效磁性分离，同时保持超顺磁响应。

吸附等温线

Langmuir拟合给出最大容量Q_m = 27.86 mg g⁻¹，表明单层吸附。Freundlich参数（K_F = 3.06 L g⁻¹，1/n = 0.476）证实吸附有利。Langmuir模型R²更高，提示表面均一。

吸附动力学

拟二级动力学（R² = 0.999）优于拟一级，暗示化学吸附控制过程。

pH影响

吸附量随pH从4升至12从24.22降至12.48 mg g⁻¹，因磺胺质子化状态变化和MCMs表面电荷反转。

温度与离子强度影响

升高温度和添加KCl降低吸附容量，可能因竞争吸附和热脱附。

再利用性

四次再生循环后，MCMs保持73.23%去除效率（18.31 mg g⁻¹）且形貌无变化（图7b）。吸附剂至少可重复使用五次，容量损失可接受。

结论

我们开发了一种具有前所未有的比表面积（1228 m²/g）和孔隙体积（0.448 m³/g）的磁性碳微球，能有效去除水中磺胺。材料遵循Langmuir吸附、拟二级动力学，可用NaOH再生，多循环保持高性能。这些发现为设计可循环利用的药物污染物吸附剂提供了实用途径。