碳基吸附剂对磺胺嘧啶的环境去除机制与应用前景：从分子相互作用到水处理策略

　　本综述系统探讨碳基材料（生物炭/活性炭/碳纳米管等）对磺胺嘧啶（SDZ）的吸附机制与效能，揭示静电作用、氢键和π–π堆叠等关键相互作用，为抗生素污染治理提供理论依据和技术方向，对遏制抗菌素耐药性（AMR）及水生态安全具有重要意义。

　　

章节亮点

化学结构与理化性质

磺胺嘧啶（SDZ，C₁₀H₁₀N₄O₂S）是一种合成磺胺类抗生素，其分子结构包含带氨基（–NH₂）和磺酰胺基（–SO₂NH₂）的苯环，并与嘧啶环键合。该结构支持多种分子间作用力，如氢键、π–π堆叠和静电吸引。

生物炭

生物炭是一种通过有机质限氧热解产生的多孔富碳材料，具有比表面积、孔结构和表面化学特性，使其成为去除抗生素等有机微污染物的候选材料。生物炭对SDZ的吸附效能受原料来源、热解温度和改性策略影响。

主要吸附机制类型

SDZ被固体材料捕获涉及复杂相互作用，分为物理或化学类型。物理吸附通常通过较弱力如范德华力、氢键和疏水效应进行；化学吸附则依赖更强键合，如静电吸引、络合甚至共价连接。吸附剂的结构设计与SDZ分子特性共同决定了主导机制。

影响因素对SDZ吸附性能的作用

SDZ吸附去除的成功取决于材料属性和操作参数的综合作用，关键要素包括吸附剂理化组成、水环境特性、起始污染物浓度和系统动力学。这些相互关联的方面不仅塑造吸附容量，还决定了材料在实际处理场景中的适用性。表3概述了不同碳基吸附剂的SDZ去除结果。

吸附动力学

吸附剂摄取SDZ的速率由吸附动力学详细描述；理解这些动力学对于设计有效处理系统至关重要。伪一级模型（PFO）提出吸附位点占据速率与可用位点数直接相关，但该模型应用于SDZ吸附常显示较低相关系数（R2）。许多研究表明，与伪二级模型（PSO）相比，PFO模型的相关性较低。

碳基吸附剂的再生与可重用性

有效再生和多次循环中一致的吸附性能对于实际、经济合理和环境意识明确的吸附剂材料应用至关重要。已研究不同洗脱剂和再生技术以评估材料在水溶液中去除SDZ的可重用性（附录A表S3）。

基本再生方法通常产生有限恢复。例如，650°C制备的杨木生物炭（BC650）在SDZ吸附中显示效能下降。

局限性与展望

碳基吸附剂（如生物炭、活性炭、碳纳米管和碳基复合材料）在去除水中SDZ方面展现一系列优势。如附录A表S2和S3所示，碳基吸附剂的最大吸附容量和可重用性分别可达620.74 mg/g和五个循环。这些优点为这些吸附剂在实际处理系统中带来显著益处。然而，仍存在若干局限方面。

结论

总之，SDZ在水环境中的存在构成重大生态和人类健康风险及抗菌素耐药性，因此需要紧迫有效的修复解决方案。吸附代表一种高度有前景的SDZ去除技术，具有操作简单、成本效益高和效率高等优点。本综述表明了碳基材料（如生物炭、改性生物炭、活性炭、碳纳米管和复合材料）在SDZ吸附中的应用。