利用碳基吸附剂高效去除磺胺嘧啶：机制、性能与环境应用展望

　　本综述系统探讨了碳基吸附剂（生物炭、活性炭、碳纳米管及其复合材料）对水环境中磺胺嘧啶（SDZ）的吸附机制与性能。重点分析了静电作用、氢键、π–π堆积等关键机理，并指出pH值、表面官能团及材料结构对吸附效率的显著影响。文章为开发高效吸附剂和深入理解抗生素去除机制提供了重要参考。

　　

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Chemical structure and physicochemical properties

磺胺嘧啶（SDZ，C₁₀H₁₀N₄O₂S）是一种合成抗生素，属于磺胺类药物，以其广谱抑菌功能而广泛应用。其分子结构包含一个带有氨基（?NH₂）和磺酰胺基（?SO₂NH₂）的苯环，并与嘧啶环相连。这种结构布局使得SDZ能够通过多种分子间作用力（如氢键、π–π堆积和静电吸引）与吸附剂发生相互作用。

Biochars

生物炭是一种在限氧条件下通过热解有机生物质生成的多孔富碳材料。其具有比表面积大、孔隙结构丰富和表面化学性质可调等优点，使其成为去除有机微污染物（如抗生素）的理想候选材料。生物炭对SDZ的吸附效果受原料来源、热解温度和改性方法等因素的影响。

Main types of adsorption mechanism

SDZ被固体材料捕获的过程涉及复杂的相互作用，大致分为物理吸附和化学吸附。物理吸附通常通过较弱的力（如范德华力、氢键和疏水效应）实现；而化学吸附则依赖于更强的键合作用，包括静电吸引、络合甚至共价键。吸附剂的结构设计及其表面官能团与SDZ分子特性共同决定了主导吸附机制。

The influence of factors on SDZ adsorption performance

SDZ的吸附去除效果取决于材料特性和操作参数的综合作用。关键因素包括吸附剂的理化性质、水环境特性（如pH、离子强度）、初始污染物浓度以及系统动力学条件。这些因素不仅影响吸附容量，还决定了材料在实际处理场景中的适用性。

Adsorption kinetics

吸附动力学描述了吸附剂摄取SDZ的速率，对于设计高效处理系统至关重要。伪一级动力学模型（PFO）假设吸附速率与空位点数成正比，但在SDZ吸附中适用性有限；多数研究表明伪二级模型（PSO）具有更高的相关性（R²值），表明化学吸附或表面络合可能是限速步骤。

Regeneration and reusability of carbon-based adsorbents

有效的再生能力和多次循环中稳定的吸附性能是吸附剂实际应用的经济性与环境友好性的关键。多种洗脱剂和再生方法已被探索用于评估材料在SDZ去除中的可重复使用性。

常规再生方法往往回收率有限。例如，650°C制备的杨木生物炭（BC650）在经过5次吸附-解吸循环后，对SDZ的吸附量显著下降；而采用磁性镍掺碳纳米纤维复合材料，以乙醇为洗脱溶剂，可重复使用5次且易于再生。

Limitations and prospects

碳基吸附剂（如生物炭、活性炭、碳纳米管及其复合材料）在去除水中SDZ方面展现出诸多优势，其最大吸附容量可达620.74 mg/g，可重复使用5次以上。这些优点使其在实际水处理系统中具有巨大潜力。然而，目前研究仍存在一些局限性，如实验室规模限制、连续流吸附验证不足以及吸附机制证据链不完整，这些应在未来工作中重点解决。

Conclusions

总之，SDZ在水环境中的存在对生态系统和人类健康构成显著风险，尤其是加剧抗菌素耐药性（AMR）问题，亟需开发有效的修复技术。吸附法因其操作简单、成本效益高和效率优异，成为一种极具前景的SDZ去除技术。本综述系统总结了生物炭、改性生物炭、活性炭、碳纳米管及碳基复合材料在SDZ吸附中的应用，深入讨论了关键机理与影响因素，为未来开发新型吸附材料和理解抗生素环境行为提供了重要参考。