综述：碳基吸附剂去除磺胺嘧啶抗生素的综合评述：影响因素、吸附模型与机制

　　本综述系统评述了碳基吸附剂（生物炭（BC）、活性炭（AC）、碳纳米管（CNTs）及其复合材料）对水中磺胺嘧啶（SDZ）的吸附去除，重点探讨了静电作用、氢键等关键机制，以及pH、温度等环境因素的影响，并指出其在解决抗生素耐药性（AMR）和生态毒性方面的应用潜力与未来挑战。

　　

化学结构与理化性质

磺胺嘧啶（SDZ，分子式C₁₀H₁₀N₄O₂S）是一种人工合成的磺胺类抗生素，凭借其广谱的抑菌功能和经济优势，在人类和动物医疗保健领域被广泛应用。其分子结构包含一个带有氨基（?NH₂）和磺酰胺基（?SO₂NH₂）的苯环，该核心结构与一个嘧啶环相连。这种独特的结构使其能够通过氢键、π–π堆积和静电吸引等多种分子间作用力与吸附剂发生相互作用，是其能够从水体中被有效去除的化学基础。

碳基吸附剂的类型与合成

用于吸附去除SDZ的碳基材料主要包含以下几类：

生物炭（Biochar, BC）是一种在限氧条件下通过有机质热解产生的多孔富碳材料。其吸附SDZ的有效性高度依赖于原材料来源、热解温度以及后续的改性过程。例如，在650°C下制备的杨木生物炭（BC650）对SDZ展现了吸附潜力。

活性炭（Activated Carbon, AC）因其巨大的比表面积和发达的孔隙结构而被广泛研究。经过特殊工艺处理的活性炭能显著提升其吸附性能，例如，一种以竹子为原料，经NaClO₂和乙酸脱木质素，再经ZnCl₂活化并最终用FeCl₃/FeCl₂修饰制备的复合材料，其比表面积高达1389 m²/g，对SDZ的吸附容量达到了惊人的645.08 mg/g，是目前报道的最高值之一。

碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）和碳基复合材料也显示出优异的性能。例如，一种掺镍磁性碳纳米纤维复合材料不仅吸附效果好，而且可使用乙醇作为洗脱溶剂进行再生，重复使用5次后仍能保持较好的吸附性能，体现了良好的实际应用前景。

主要吸附机制

SDZ的吸附是一个复杂的过程，涉及物理和化学多种机制的协同作用。主要机制包括：

静电相互作用：SDZ分子在不同pH条件下可呈现阳离子、两性离子或阴离子形态，而吸附剂表面电荷也随pH变化。因此，溶液pH值是控制静电吸附的关键因素。

氢键：SDZ分子中的氨基、磺酰胺基以及嘧啶环上的氮原子均可作为氢键的给体或受体，与吸附剂表面的含氧官能团（如羧基、羟基）形成氢键。

π–π堆积：SDZ的苯环和嘧啶环与碳基吸附剂（如石墨化碳、碳纳米管）的sp²杂化碳结构之间可产生π–π电子供体-受体相互作用。

孔道填充：吸附剂的孔隙结构，尤其是与SDZ分子尺寸匹配的微孔，可通过物理填充作用捕获SDZ分子。

离子交换和表面络合：对于经过金属氧化物改性的复合材料，SDZ还可能通过离子交换或与金属离子形成络合物而被固定。

其中，静电相互作用和氢键被认为是SDZ吸附中最主要的机制。

影响因素对SDZ吸附性能的作用

多种环境参数对吸附效果有显著影响：

pH值：溶液pH通过影响SDZ的形态和吸附剂表面电荷直接决定静电作用的强弱。吸附通常在SDZ与吸附剂表面带相反电荷的pH范围内达到最佳。

温度：升温通常有利于吸附，表明SDZ在碳基材料上的吸附多为吸热过程。

离子强度：水中离子强度的增加通常会与SDZ竞争吸附位点或屏蔽静电引力，从而对吸附产生抑制效应。

初始浓度：较高的初始浓度提供了更大的吸附驱动力，但吸附容量最终会受吸附剂本身饱和能力的限制。

吸附动力学与等温线

动力学研究表明，SDZ在碳基吸附剂上的吸附过程更符合伪二级动力学模型（Pseudo-second-order model），这表明其速率控制步骤可能涉及化学吸附。等温吸附研究则表明，Langmuir和Freundlich模型都能较好地描述吸附行为，暗示吸附过程既存在单分子层吸附，也存在非均相表面的多层吸附特征。

碳基吸附剂的再生与回用

吸附剂的再生能力对其实际应用的经济性和环境友好性至关重要。研究表明，简单的再生方法效果有限。而使用特定溶剂（如乙醇）进行洗脱，或利用磁性复合材料（如掺镍碳纳米纤维）的磁分离特性，可以实现材料的多次回用。前述的磁性镍-碳纳米纤维复合材料便可重复使用5次，展示了良好的循环利用潜力。

局限性与未来展望

尽管碳基吸附剂在实验室研究中表现出色，但仍存在若干局限。目前的研究大多停留在实验室规模，需要更多连续流吸附实验来模拟真实水处理场景。此外，吸附机制的研究仍需更深入的表征分析来提供直接证据。未来工作应致力于开发成本更低、吸附性能更优且更易于再生的新型吸附剂，并推动其在实际水体修复中的应用。

结论

碳基吸附剂为去除水环境中的磺胺嘧啶（SDZ）提供了一种高效、经济且操作简便的技术方案。通过静电作用、氢键、π–π堆积等多种机制，这类材料能有效捕获SDZ分子。理解环境因素的影响和吸附机理，对于设计和优化吸附剂至关重要。尽管在走向大规模实际应用前仍面临挑战，但碳基材料，特别是高性能复合材料和可磁性分离材料，在保障水环境安全、遏制抗生素耐药性（AMR）传播方面蕴含着巨大潜力。