利用废弃阳离子交换树脂制备磺酸功能化活性炭用于氯霉素吸附：性能与理论计算

氯氨苄污染治理中废离子交换树脂制备磺酸功能化活性炭的吸附机制与再生性能研究，采用煅烧法将废树脂转化为吸附剂CWCR，通过动力学、热力学及DFT计算揭示其多机制协同吸附作用，证明其在pH3.0-11.0范围内保持高吸附效率，第八次再生后仍达72%去除率，固定床吸附适用Thomas模型。

　　

姚瑶工|嘉艺静|佩敏李|浩晨李|晓菲宗|宇伟邓|玉轩叶|文涛李|米卡·西兰帕|强李|飞潘

武汉纺织大学资源与环境学院，中国武汉，430200

摘要

为了减少残留抗生素对环境的不利影响，本文利用废弃的阳离子交换树脂（WCER）制备了磺酸功能化的活性炭（CWCR），用于吸附氯霉素（CAP）。通过对其性能和吸附行为进行研究，探讨了其吸附机制。CWCR表现出高达273.76 mg/g的吸附容量，并能去除98%的CAP。拟二级吸附模型和Freundlich模型能够较好地拟合实验数据，表明吸附过程为多层吸附。热力学参数的负值表明吸附过程是自发的且放热的。密度泛函理论（DFT）计算进一步证实了-SO₃H基团在形成氢键、π-π相互作用以及离子交换中的作用。CWCR在pH 3.0-11.0的范围内具有很强的抗离子干扰能力，并且吸附性能稳定。经过第八次再生后，其吸附能力仍保持72%。在固定床吸附实验中，Thomas模型的拟合度优于Yoon-Nelson模型。这些结果表明，CWCR是一种经济高效且可持续的抗生素去除剂。

引言

医疗行业的快速发展和现代畜牧业的兴起导致了抗生素消耗量的激增。这些抗生素的残留物及其代谢产物进入环境后，引发了严重的抗生素污染[1]。广谱抗生素氯霉素（CAP）已成为一个日益严重的污染问题[2]。其在水产养殖、畜牧业和医药领域的过度使用导致河流和湖泊等水环境中广泛存在[3]、[4]、[5]、[6]。CAP的高化学稳定性和微生物抗性使其在环境中难以自然降解。长期暴露于CAP会促进微生物耐药性的产生，并通过食物链积累，从而对生态系统完整性和人类健康构成威胁[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。由于其去除效率较低，CAP在环境中的持久性是一个值得关注的问题[12]、[13]。因此，迫切需要开发经济高效且可持续的技术来清除水中的CAP。

去除CAP的主要方法包括吸附、生物降解和高级氧化工艺（AOPs）[14]、[15]、[16]。由于吸附方法具有经济可行性、操作简便性和环境兼容性，已成为广泛研究的修复技术[17]、[18]。吸附剂来源多样，包括活性炭、生物炭、金属有机框架（MOFs）、多孔有机材料、碳纳米管、层状双氢氧化物（LDHs）和树脂[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。树脂因其可定制的物理化学性质、高吸附容量和优异的再生性能而具有独特优势[25]、[26]。研究表明，磁性树脂、多孔树脂和离子交换树脂可用于吸附抗生素[27]、[28]、[29]。离子交换树脂还用于选择性吸附和分离[30]、[31]。然而，反复的脱附-再生过程会降低离子交换树脂的吸附能力[32]。每年会产生大量含有有机污染物和有毒金属离子的废弃树脂，导致处理成本高昂。近年来，人们对废弃离子交换树脂的回收利用越来越重视。

杨等人发现，通过煅烧和HNO₃处理从WCER制备的活性炭对亚甲蓝的吸附主要基于化学吸附机制[34]。基于废弃离子交换树脂制备的活性炭的应用范围从染料吸附扩展到抗生素去除和二氧化碳捕获[35]、[36]。史等人研究了废弃树脂衍生碳的孔隙率与其萘吸附性能之间的关系[37]。在之前的研究中，利用废弃树脂作为碳源制备了CuFeO₂@CR，该材料在PMS体系中可降解95%的卡马西平[38]。还通过热解阳离子交换树脂制备了锰碳复合材料，并评估了其降解四环素的效果[39]。此外，基于废弃阳离子交换树脂的活性炭能有效吸附水溶液中的环丙沙星[40]。尽管取得了这些进展，但磺酸功能化废弃阳离子交换树脂衍生活性炭材料对新兴污染物CAP的吸附机制尚未得到充分研究。

本研究制备了磺酸功能化的活性炭，并评估了其对CAP的吸附性能和机制。通过动力学、等温线和热力学分析，结合表征技术和DFT计算，系统研究了关键参数对CAP吸附的影响。同时，还探讨了吸附剂的再生能力和在固定床中的吸附性能。

化学物质与材料

材料及化学试剂的详细信息见文本S1。废弃的阳离子交换树脂（D001）来自实验室。CAP的主要性质总结在表S1中。

制备过程

首先将WCER在20%乙醇中磁力搅拌12小时，然后用去离子水冲洗至中性，然后干燥。随后将5克干燥后的树脂在700°C的马弗炉中煅烧2小时。煅烧后的产物经过研磨并过200目筛子。

表征

为了了解吸附剂的物理结构，对其形态进行了观察。如图1所示，CWCR表面附着有许多不规则颗粒。CWCR的多孔结构为吸附提供了丰富的位点。EDS检测到S元素，这归因于原始WCER中的-SO₃H功能团；全谱分析还显示了C、O和Na的存在。CWCR的XRD、FTIR和XPS表征结果见图S1。

结论

本研究通过一步煅烧成功制备了来自废弃阳离子交换树脂的磺酸功能化活性炭（CWCR），用于去除CAP。CWCR的多孔结构和表面官能团（-OH和-SO₃H）作为主要活性位点，使其具有优异的吸附性能。实验结果表明，CWCR的吸附容量为273.76 mg/g，可去除98%的CAP。

作者贡献声明

浩晨李：方法学研究。晓菲宗：方法学研究。宇伟邓：方法学研究。玉轩叶：指导工作。文涛李：概念构思。米卡·西兰帕：撰写、审稿与编辑。强李：撰写、审稿与编辑、指导工作、资金申请。飞潘：指导工作。姚瑶工：撰写初稿、方法学研究、实验设计。嘉艺静：实验研究。佩敏李：实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（51908432）、国家重点纺织新材料与先进加工实验室（编号FZ2025006）、武汉纺织大学以及武汉纺织大学基金B（K25034）的支持。作者感谢Shiyanjia实验室（www.shiyanjia.com）在XRD和XPS表征方面的帮助，同时也感谢武汉纺织大学的分析与测试中心提供的SEM分析支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突。