本研究由Hongwei Sun（第一作者及通讯作者，烟台大学环境与材料工程学院）、Jingjie Yang（烟台大学环境与材料工程学院）、Yue Wang（烟台大学环境与材料工程学院）、Yucan Liu（通讯作者，烟台大学土木工程学院）、Chenjian Cai（兰州交通大学环境与市政工程学院）和Afshin Davarpanah（伊朗伊斯兰阿扎德大学石油工程系）合作完成，发表于期刊《Coatings》2021年第11卷第1354期，文章标题为《Study on the Removal Efficiency and Mechanism of Tetracycline in Water Using Biochar and Magnetic Biochar》。
学术背景
该研究聚焦环境工程与污染治理领域，针对抗生素（尤其是四环素类）在水体中的残留问题展开。四环素作为全球使用量第二的广谱抗生素，70%-90%以原形排入环境，其残留（μg/L~ng/L级）可能引发藻类生长抑制、细菌耐药基因扩散等生态风险。传统处理技术（如臭氧氧化、光催化）存在成本高、操作复杂等缺陷，而吸附法因无二次污染风险备受关注。生物炭（biochar）因其高比表面积和丰富官能团成为理想吸附剂，但原始生物炭对四环素的吸附效率较低（65.7%）。本研究旨在开发一种新型磁性污泥基生物炭（magnetic biochar, MBC），通过KOH活化和Fe3O4负载提升吸附性能，并系统比较生物炭（BC）、磁性Fe3O4及MBC的吸附机制与循环利用性。
研究流程
材料制备
- 生物炭（BC）：以污水处理厂剩余污泥为原料，与KOH按2:1混合，在氮气保护下以10°C/min升温至500°C热解3小时，酸洗至中性后干燥。
- 磁性Fe3O4：通过共沉淀法，将FeCl2与FeCl3（摩尔比1:1.6）溶于70°C去离子水，滴加NaOH至溶液变黑，磁分离后洗涤干燥。
- 磁性生物炭（MBC）：优化负载比例（生物炭与铁盐质量比0:1至10:1），超声2小时促进Fe3O4负载，最终确定0.2:1为最佳比例。
表征分析
- SEM：观察到MBC表面均匀分布的球形Fe3O4颗粒（直径约50-100 nm），证实成功负载。
- BET：MBC比表面积（70.17 m²/g）较原始BC（19.96 m²/g）提升2.5倍，Fe3O4自身比表面积为73.26 m²/g。
- XRD与FTIR：Fe3O4特征峰（2θ=22.6°、33.5°等）与标准卡片（PDF#72-2303）匹配；吸附后C=O（1658→1649 cm⁻¹）和Fe-O（580 cm⁻¹）峰位移表明化学相互作用。
吸附实验
- 批次实验：在pH=4、25°C条件下，MBC对四环素的吸附量达29.4 mg/g（初始浓度100 mg/L），优于Fe3O4（31.4 mg/g）和BC（21.9 mg/g）。酸性条件（pH=4）下静电吸引增强吸附，而离子强度（0-100 mmol/L NaCl）无显著影响，排除离子交换机制。
- 动力学与等温线：伪二级动力学模型（R²>0.99）拟合最佳，表明化学吸附主导；Langmuir模型显示MBC最大吸附量达139.80 mg/g（45°C），为单层吸附。
- 循环利用：0.1 mol/L NaOH解吸后，MBC经5次循环仍保持33.5%去除率，显著高于BC（8.4%）。
主要结果与机制
- 吸附效率排序：Fe3O4（94.3%）> MBC（88.3%）> BC（65.7%），归因于Fe3O4的高比表面积与MBC的协同作用。
- 关键机制：
- 化学吸附：FTIR与XPS证实π-π相互作用（芳香环与四环素酮基）、氢键（-OH与氨基/羧基）及阳离子-π作用（Fe²⁺/Fe³⁺与四环素阳离子形式）。
- 物理吸附：BET显示孔隙填充效应，MBC的介孔结构（2-50 nm）促进四环素扩散。
- 磁性特异性：Fe3O4独有的络合桥接作用（Fe-O-TC复合物）及MBC的静电吸引（pH
结论与价值
- 科学价值：首次系统解析了Fe3O4、BC及MBC对四环素的差异化吸附机制，提出“化学吸附主导-物理吸附辅助”模型，丰富了抗生素去除理论。
- 应用价值：MBC兼具高效吸附（139.80 mg/g）与磁分离便利性，为污泥资源化与低浓度抗生素废水处理提供“以废治废”新策略。
研究亮点
- 方法创新：开发KOH-Fe3O4协同改性工艺，优化负载比例（0.2:1），平衡成本与性能。
- 机制深度：通过XPS揭示Fe物种（Fe2+/Fe3+）的价态变化，证实络合桥接为磁性材料特有机制。
- 可持续性：MBC的循环利用性降低运行成本，契合绿色治理理念。
其他发现
- 温度效应：吸附为吸热过程（ΔH=76.43 kJ/mol），升温促进反应，符合Endothermic特性。
- 实际应用潜力：MBC对复杂水体中其他抗生素（如磺胺类）的普适性有待验证，但本研究为后续扩展奠定基础。
该研究为磁性生物炭在环境修复中的应用提供了扎实的实验依据与理论支撑，其多机制协同吸附模型对同类研究具有重要参考价值。