《Separation and Purification Technology》：Surface engineering of aluminum-coated a?aí biochar via magnetron sputtering for high clorazepate and diclofenac adsorption
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本研究采用磁控溅射在a?aí生物炭表面镀铝，优化功率（100W、150W、200W），显著提升了对氯氮草（260.7 mg/g）和双氯芬酸（277.5 mg/g）的吸附能力，较原生物炭提高35%。伪一级动力学模型和L2型等温线表明强吸附作用，Sips模型验证了异质性吸附机制。再生测试显示前五次循环性能稳定，但后续效率下降。
Ronaldo Antunes Funari Junior|Sabrina Frantz Lütke|Jonder Morais|Maria do Carmo Martins Alves|Marcos Leandro Silva Oliveira|Eduardo Nuno Borges Pereira|Lucas Ant?nio Fantinel|Lucas David Biondo|Marcelo Godinho|Cesar Aguzzoli|Guilherme Luiz Dotto
吸附与催化过程工程研究小组（ENGEPAC），圣玛丽亚联邦大学，Roraima大道1000-7号，97105–900，圣玛丽亚，RS州，巴西
摘要 本研究通过磁控溅射技术在巴西莓生物炭（Al@BC ）表面涂覆铝，以改善其对水溶液中氯氮平（CZ）和双氯芬酸（DC）的吸附性能。分别采用100 W、150 W和200 W的溅射功率，得到了名为Al@100 W 、Al@150 W 和Al@200 W 的吸附剂，其铝覆盖率分别为0.22%、0.40%和3.41%。动力学分析结果与实验数据非常吻合，尤其是对双氯芬酸的预测准确性更高。氯氮平的吸附平衡在120分钟内达到，而双氯芬酸在60分钟内达到平衡。吸附等温线呈现L2型曲线，表明吸附剂与吸附物之间有很强的亲和力。Sips模型能够很好地描述平衡数据，证明了铝沉积促进了异质吸附过程。随着溅射功率的增加，Sips参数（m Al@200 W 对氯氮平的吸附容量为260.7 mg g?1 ，对双氯芬酸的吸附容量为277.5 mg g?1 ，相比原始生物炭提高了约35%。再生测试显示前五个循环中材料具有优异的重复使用性；之后，涂层劣化显著降低了材料的吸附效率。结果表明，磁控溅射是一种有效的方法，证实吸附效率受到铝负载量和表面化学改性的共同影响，从而提高了吸附容量、亲和力和对药物污染物的耐久性。
引言 苯二氮卓类药物（BZOs）和非甾体抗炎药（NSAIDs）是广泛用于缓解疼痛、降低发热和炎症的药物类别，同时具有镇静、抗焦虑和抗惊厥作用[1]、[2]、[3]、[4]。典型的苯二氮卓类药物包括阿普唑仑、地西泮、劳拉西泮和氯氮平，常见的非甾体抗炎药包括布洛芬、萘普生和双氯芬酸[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。由于这些药物的全球生产和消费量巨大，药物污染近年来已成为日益严重的环境问题，主要是因为长期暴露对人类和动物健康构成多种风险[9]、[10]。其中，氯氮平（CZ，7-氯-2-氧-5-苯基-1,3-二氢-1,4-苯二氮卓-3-羧酸）和双氯芬酸（DC，2-[(2,6-二氯苯基)-氨基-苯]乙酸）因其在医疗使用和环境中的高频率出现而受到广泛研究[11]、[12]。这两种药物及其代谢物在多种水样中被检测到，其中氯氮平的浓度为8.5 μg L?1 （废水）和4400 ng L?1 （地表水）；而双氯芬酸的浓度范围为0.08–1.8 μg L?1 [13]、[14]、[15]。此外，由于氯氮平需要医生处方才能购买，其在废水中的浓度为6.22 ng L?1 [16]。因此，寻找可持续的方法从水源中去除药物废物对于减少其负面影响至关重要。
吸附过程是一种高效且实用的方法，用于从水中去除药物化合物，因为它能耗低且操作简单[17]。常用的吸附剂包括氧化石墨烯、纳米颗粒、沸石和生物炭[18]、[19]、[20]。此外，巴西莓在巴西亚马逊地区具有重要的经济价值；然而，果实在加工过程中产生的废弃物（纤维和种子）尚未得到充分利用，尽管它们是巴西莓生产中的丰富副产品[21]、[22]。通过将巴西莓生物质热解可以得到生物炭，然后对其进行改性以增加吸附能力[23]。生物炭是一种在高温低氧环境下通过生物质热解产生的富碳材料。生物炭的生产成本低、可扩展性强，且具有较大的表面积和孔隙率，使其成为传统吸附剂的良好替代品[24]、[25]、[26]。此外，生物炭可以通过改性来改善其物理化学性质和表面功能，从而提高吸附性能[26]、[27]。
最近，磁控溅射技术被应用于生物炭的功能化。磁控溅射是一种物理气相沉积技术，利用等离子体将固体靶材上的原子剥离并均匀沉积在吸附剂表面，无需额外化学物质或处理步骤即可实现精确的表面激活和均匀涂层[19]、[28]、[29]、[30]。在吸附领域，磁控溅射的研究较少，仅有少数关于金属、染料和药物的研究结果[31]、[32]、[33]、[34]。
本研究探讨了利用磁控溅射在巴西莓废弃生物炭上沉积铝薄膜的方法，以提高其对氯氮平和双氯芬酸的吸附能力。选择铝是因为其耐腐蚀性、高热导率和电导率、化学稳定性以及对污染物的强亲和力，这使其能够在各种环境条件下通过多种吸附机制与氯氮平和双氯芬酸发生稳定相互作用[35]。通过控制功率和沉积时间，仔细优化了溅射过程，制备了三种不同的铝涂层生物炭样品。通过全面的表征以及动力学、平衡、热力学和再生研究，阐明了吸附机制、传质行为以及铝沉积对吸附性能的影响，并评估了铝涂层生物炭的去除氯氮平和双氯芬酸的潜力。
部分摘录 铝涂层的巴西莓生物炭的制备 巴西阿马帕州的一家企业提供了巴西莓废弃物。这些废弃物经过热解处理后得到了纯巴西莓生物炭，简称BC@P 。该过程在垂直管状石英反应器中进行，并通入氮气（N2 ）以保持惰性气氛。加热速率设定为10 °C min?1 ，当温度达到700 °C后保持恒定1小时。
对于铝的改性，采用物理气相沉积（PVD）技术在BC@P 生物炭表面涂覆铝
BC@P和Al@BC生物炭的表征 图3展示了材料的表面形态。所有吸附剂的表面形态都随着沉积功率的变化而发生变化。BC@P 表面有沟槽，这是碳质材料的典型特征。观察Al@BC 生物炭时，所有材料的表面都出现了与铝沉积增加相关的变形（图3a-d）。当沉积功率增加到150 W和200 W时，铝颗粒的沉积量进一步增加。
结论 本研究合成了基于巴西莓废弃物的生物炭，并通过磁控溅射在其表面涂覆了铝薄膜，以提高其对氯氮平和双氯芬酸的吸附性能。评估了不同的沉积功率条件，发现材料的物理化学性质发生了变化，铝的沉积百分比从0.22%增加到3.40%。在pH值为3的条件下，氯氮平和双氯芬酸的吸附效果更好
CRediT作者贡献声明 Ronaldo Antunes Funari Junior： 撰写初稿、数据可视化、验证、资源管理、概念构思。Sabrina Frantz Lütke： 方法学设计、实验研究、数据分析。Jonder Morais： 软件开发、方法学设计、实验研究、数据分析。Maria do Carmo Martins Alves： 项目监督、软件管理、资源协调、方法学设计、实验研究、数据分析。Marcos Leandro Silva Oliveira： 数据可视化、结果验证、项目监督。Eduardo Nuno Borges Pereira：
利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢 作者感谢巴西联邦研究生教育支持与评估机构（CAPES，资助代码001）以及国家科学技术发展委员会（CNPq，项目编号303992/2021-2）的支持。
