陳 建， 歐陽(yáng)金波， 賴(lài)偉鑫， 邢曉紅， 劉峙嶸， 周利民

(東華理工大學(xué) 化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

隨著醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，抗生素被廣泛地用于醫(yī)療保健、畜禽養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域。然而，生活及工業(yè)污水的排放，導(dǎo)致水體中殘留各種抗生素。這些抗生素污染物，由于其毒性和不可生物降解性，將引起嚴(yán)重的生命健康和環(huán)境問(wèn)題，包括對(duì)人類(lèi)免疫系統(tǒng)的破壞、水生群落結(jié)構(gòu)的影響等(孔慧敏等, 2021)。最近，生物降解(Wang et al., 2018)、混凝和絮凝(Hou et al., 2019)、膜技術(shù)(Kamrani et al., 2018)等已被廣泛應(yīng)用于廢水中抗生素的處理。但是，這些方法的主要缺點(diǎn)是成本高、有毒副產(chǎn)物的形成以及操作復(fù)雜。與上述方法相比，吸附法具有經(jīng)濟(jì)、操作靈活、可再生等優(yōu)點(diǎn)，用來(lái)去除廢水中各種污染物，被認(rèn)為是一種很有應(yīng)用前景的方法(Sun et al., 2019)。已報(bào)道大量多孔材料作為藥物吸附劑，如活性炭(Zbair et al., 2019)、金屬有機(jī)框架(Yang et al., 2017)、二氧化硅(Brigante et al., 2016)、氧化石墨烯(Huang et al., 2019)等。但是，多孔材料制造過(guò)程的復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)性限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)具有高效性且經(jīng)濟(jì)環(huán)保的吸附劑對(duì)廢水中的抗生素去除具有重要的意義。

近年來(lái)，生物質(zhì)衍生的活性炭，由于其發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的理化特性、經(jīng)濟(jì)的環(huán)保優(yōu)勢(shì)引起了廣泛關(guān)注(范友華等, 2021)。基于茶渣(Jiao et al., 2019)、樹(shù)皮(Zhang et al., 2014)、稻殼(王洪杰等, 2019)、小麥(Tan et al., 2009)等開(kāi)發(fā)了多種生物質(zhì)基吸附劑。玉米是一種常見(jiàn)的農(nóng)產(chǎn)品，然而，每年有大量的玉米芯被當(dāng)作垃圾丟棄。研究表明，由玉米芯制成的生物炭具有較大的表面積和孔體積，是一種低成本生物吸附劑(Peafiel et al., 2019)。另外，大量玉米芯的焚化處理，不僅浪費(fèi)了生物資源，還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。所以，利用玉米芯制備生物炭，去除廢水中的有機(jī)污染物，這對(duì)于廢物回收利用以及環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

磺胺甲惡唑(SMZ;CAS：723-46-6)是一種典型的抗生素，屬于廣譜抗菌藥。SMZ主要用于敏感菌引起的尿路感染、呼吸系統(tǒng)感染等。然而，大量使用SMZ造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，尤其以水體污染最為顯著。因此，如何去除水體中SMZ污染物已經(jīng)成為化工分離領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。藥物的吸附能力不僅受生物炭理化性質(zhì)的影響，如疏水性、氫鍵形成能力，還與藥物的特異性結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了提高生物炭的吸附性能，可以對(duì)其進(jìn)行造孔、表面改性和活化等處理(Chen et al., 2017)。通常，利用活化技術(shù)可以有效改善吸附劑的孔隙率，常用的活化劑主要包括KOH、H3PO4和NaOH等(吳有龍等,2021; 崔健等, 2020; 羅冬等, 2014)。另外，對(duì)生物炭進(jìn)行化學(xué)改性處理，增加其表面含氧官能團(tuán)，也能增強(qiáng)對(duì)藥物污染物的吸附能力。駱俊鵬等(2019)利用硝酸對(duì)油菜秸稈為原料的生物炭改性，增加了生物炭表面的吸附位點(diǎn)，有效吸附了廢水中的四環(huán)素。

本研究分別利用KOH和H3PO4對(duì)玉米芯進(jìn)行活化處理，制備了多孔生物炭KBC和PBC。使用HNO3對(duì)PBC進(jìn)行功能化，制備了含氧官能團(tuán)的PNBC。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)和X射線(xiàn)衍射(XRD)研究了生物炭的表面形貌及化學(xué)特性。最后，研究了生物炭對(duì)SMZ吸附等溫線(xiàn)、吸附熱力學(xué)和吸附動(dòng)力學(xué)的影響，并討論了溶液pH、離子強(qiáng)度對(duì)吸附過(guò)程的影響，分析了PNBC與SMZ之間的吸附機(jī)理。

圖1 KBC, PBC和PNBC的制備過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation of KBC, PBC and PNBC

1 材料與方法

1.1 化學(xué)試劑

SMZ(純度>98%)購(gòu)自阿拉丁。氫氧化鈉(98%)、氫氧化鉀(>85%)、氯化鈉(99%)、磷酸(>85%)、鹽酸(36%～38%)、硝酸(65%～68%)、乙醇(99%)來(lái)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，均為分析純。SMZ的基本信息如表1所示(Yao et al., 2018)。

表1 SMZ的基本信息

1.2 活化生物炭KBC、PBC、PNBC的制備

玉米購(gòu)于市場(chǎng)，食用完剩下玉米芯，首先用自來(lái)水及去離子水洗滌收集的玉米芯，再將洗滌后的玉米芯在80 ℃的烘箱中干燥24 h，接著用粉碎機(jī)研磨玉米芯并篩分至80目。然后，將5 g玉米芯粉末加入瓷舟中，再分別加入10 g KOH與適量H3PO4作為活化劑，將活化的樣品置入管式爐中，在氮?dú)鈼l件下(100 mL/min)設(shè)置4 ℃/min的升溫速率并在600 ℃保持1 h。自然降溫至室溫后將裂解的生物炭用0.1 mol/L HCl溶液及去離子水在有機(jī)膜(0.45 μm)上過(guò)濾洗滌，直到洗滌流出液的pH值為中性。最后，將生物炭在80 ℃下干燥24 h，再細(xì)磨，得到的KBC(KOH活化的生物炭)與PBC(H3PO4活化的生物炭)存放于密閉干燥器中以備使用。

將1 g PBC加入250 mL錐形瓶?jī)?nèi)，并加入50 mL硝酸(3 mol/L)進(jìn)行生物炭功能化，在105 ℃的油浴鍋中充分?jǐn)嚢? h。反應(yīng)后的樣品用去離子水洗滌至中性，制備成PNBC(硝酸功能H3PO4活化的物生炭)，制備過(guò)程如圖1所示。

1.3 吸附劑的表征

采用SEM(日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的JSM-5600)對(duì)KBC與PBC的表面形貌進(jìn)行表征。采用FTIR(Nicolet 5700，Thermo Scientific，USA)表征KBC、PBC與PNBC表面化學(xué)特性。利用XRD(PANalytical，Holland)表征KBC與PBC的固相結(jié)構(gòu)，其中，Cu靶X光管電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描速度為5°/min，掃描范圍為5°～80°。

1.4 SMZ的吸附實(shí)驗(yàn)

在間歇吸附實(shí)驗(yàn)中，將20 mLSMZ溶液(100 mg/L)加入到50 mL錐形瓶中，然后加入10 mg生物炭。將該混合物在25 ℃恒溫?fù)u床下攪拌(180 r/min)6 h，形成均勻分散的懸浮液。然后通過(guò)紫外分光光度計(jì)用266 nm的波長(zhǎng)測(cè)定其濃度。SMZ吸附量Qe(mg/g)和去除效率Y(%)通過(guò)以下公式計(jì)算：

Qe=((C0-Ce)V)/m

(1)

Y=(C0-Ce)/C0·100%

(2)

式中，C0是SMZ的初始濃度(mg/L)，Ce是吸附后SMZ的濃度(mg/L)，V是溶液的體積(mL)，m是吸附劑的質(zhì)量(mg)。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均測(cè)定3次取平均值。

圖2 KBC (a)和PBC (b)的電鏡圖Fig.2 SEM of KBC (a) and PBC (b)

2 結(jié)果與討論

2.1 表征解析

通過(guò)SEM觀察了KBC與PBC的表面形貌(圖2)，從圖2中可以看出，KBC與PBC均具有不規(guī)則形貌，前者孔結(jié)構(gòu)由微孔和大孔組成，后者微孔偏多。這是因?yàn)樵诙栊詺怏w保護(hù)下，玉米芯中含有的有機(jī)物與KOH在裂解過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)，從而對(duì)生物炭進(jìn)行活化，使得生物炭出現(xiàn)了大量的孔結(jié)構(gòu)(Chen et al., 2017)。同時(shí)，磷酸在煅燒過(guò)程中形成了P2O5，通過(guò)其升華作用也促進(jìn)了孔的產(chǎn)生(Shi et al., 2019)。裂解過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

KBC、PBC和PNBC的FTIR如圖3所示，從圖3中可以看出，KBC和PBC具有相似的紅外譜圖，在2 112 cm-1和1 536 cm-1附近分別具有對(duì)應(yīng)于C≡C和C═C的特征峰(Paunovic et al., 2019)，說(shuō)明KBC和PBC含有諸多不飽和鍵。在PNBC圖譜中，經(jīng)過(guò)硝酸功能化后，明顯增加了多種含氧官能團(tuán)，分別在3 379 cm-1，1 707 cm-1，1 237 cm-1，912 cm-1對(duì)應(yīng)于─OH，─COOH，O─H，C─O─C的特征峰(Sarker et al., 2018)。另外，在1 607 cm-1的特征峰主要?dú)w因于N─H的彎曲振動(dòng)(Tang et al., 2020)。圖3b是KBC和PBC的XRD圖譜，從圖中可以看出，兩個(gè)樣品具有相似結(jié)構(gòu)，其中，26°～29°衍射峰對(duì)應(yīng)于(002)的石墨平面，40°～45°處較寬衍射峰分別對(duì)應(yīng)于(100)與(101)晶面，表明制備的生物炭具有一定程度的石墨化結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度較低，為碳環(huán)無(wú)序堆積(Xie et al., 2017)。

2.2 吸附等溫線(xiàn)

Langmuir和Freundlich模型是常見(jiàn)的用于描述吸附過(guò)程的等溫模型。其中，Langmuir等溫線(xiàn)模型是基于吸附能相等系統(tǒng)下的單層表面吸附，而Freundlich等溫線(xiàn)模型則是多層吸附，并且被吸附物的表面能不均勻。Langmuir和Freundlich等溫線(xiàn)模型

圖3 KBC、PBC、PNBC的紅外圖譜 (a)及KBC、PBC的XRD圖譜 (b)Fig.3 FTIR of KBC, PBC， PNBC (a) and XRD patterns of KBC, PBC (b)

的方程如下所示(袁定重等，2020)：

(7)

Qe=KFCe1/n

(8)

式中，Qm為最大吸附容量(mg/g)，KL是Langmuir常數(shù)(mL/mg)。KF((mg·g-1)(L/(mg-1)1/n)和n是Freundlich等溫模型的相關(guān)參數(shù)。

利用Langmuir和Freundlich等溫線(xiàn)模型討論了SMZ在生物炭上的吸附行為。圖4a和表2顯示了Langmuir和Freundlich等溫線(xiàn)吸附模型的非線(xiàn)性擬合結(jié)果和具體參數(shù)。結(jié)果表明，Langmuir模型比Freundlich模型擬合精確度更高，對(duì)KBC、PBC與PNBC吸附擬合的R2值分別為0.918，0.963，0.969。因此，SMZ在生物炭上的吸附更大程度上屬于單層吸附。在298 K時(shí)，PNBC對(duì)SMZ的最大吸附容量達(dá)到162.08 mg/g。表3顯示了前期報(bào)道的有關(guān)其他吸附劑吸附SMZ結(jié)果。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本工作制備的PNBC對(duì)SMZ的吸附能力較強(qiáng)，并且在成本上具有很大的優(yōu)勢(shì)。因此，PNBC具有良好的應(yīng)用前景。

表2 KBC, PBC與PNBC吸附SMZ相關(guān)的Langmuir和Freundlich參數(shù)

表3 不同吸附劑對(duì)SMZ的最大吸附容量(Qm)

此外，利用了分離因子(RL)驗(yàn)證SMZ在PNBC上的吸附性能，方程如下所示(Kadam et al., 2020)：

(9)

式中，RL(量綱為1)表示等溫線(xiàn)的形狀。當(dāng)RL=0說(shuō)明吸附過(guò)程是不可逆的，當(dāng)RL=1時(shí)為線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)01時(shí)，則不利于此吸附。圖4b表明，RL在0和1之間，因此SMZ在PNBC表面上具有良好的吸附性能。因此，吸附等溫線(xiàn)不僅證實(shí)了SMZ為單層吸附，并且是有利的吸附過(guò)程。

圖4 Langmuir與Freundlich模型對(duì)KBC, PBC與PNBC吸附數(shù)據(jù)的擬合(a)及RL(b)Fig.4 Nonlinear fitting of Langmuir and Freundlich model (a) and RL (b)

2.3 吸附熱力學(xué)

為了評(píng)估吸附熱力學(xué)，本次研究了288～318 K，PNBC對(duì)SMZ吸附過(guò)程中吉布斯自由能(ΔGθ)、標(biāo)準(zhǔn)熵(ΔSθ)和標(biāo)準(zhǔn)焓(ΔHθ)的變化，計(jì)算公式如下(李陽(yáng)等,2019)：

ΔGθ=-RTln(K0)

(10)

(11)

K0=1 000Qe/Ce

(12)

式中，R為氣體常數(shù)，T為反應(yīng)溫度。為了使K0量綱為1，在取對(duì)數(shù)之前，將Qe乘以1 000。從上述公式可以看出，ΔHθ和ΔSθ的值可以通過(guò)lnK0對(duì)1/T曲線(xiàn)的斜率和截距得出(圖5a)。lnK0、ΔGθ、ΔHθ、ΔSθ的值如表4所示，吸附過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)焓ΔHθ為5.366 kJ/mol，這表明吸附過(guò)程是吸熱的。吸附過(guò)程的ΔSθ為正值，表明此體系為熵增過(guò)程。此外，在288～318 K范圍內(nèi)，ΔGθ值逐漸減小，由-19.883 kJ/mol降至-22.491 kJ/mol，這表明在研究溫度范圍內(nèi)，SMZ在PNBC表面上的吸附是自發(fā)進(jìn)行的。

表4 KBC,PBC與PNBC吸附SMZ相關(guān)的吸附熱力學(xué)參數(shù)

2.4 吸附動(dòng)力學(xué)

吸附速率也是評(píng)估吸附劑性能的關(guān)鍵參數(shù)。為了研究SMZ在PBC和PNBC上的詳細(xì)吸附過(guò)程，在SMZ初始濃度為100 mg/L于溫度298 K的條件下，從0到6 h進(jìn)行了吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。本研究采用經(jīng)典的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型分析了吸附過(guò)程，如式(13)與(14)所示(lvarez-Torrellas et al., 2016)。

(13)

(14)

式中，Qt為時(shí)間t時(shí)SMZ的吸附量(mg/g)，K1表示準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)(h-1)，K2表示準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)(g·mg·h-1)。

圖5b顯示了PBC與PNBC吸附動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)，同時(shí)相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表5所示。從圖5b中可以看出，PBC與PNBC對(duì)SMZ的吸附量在最初的1 h內(nèi)迅速增加，然后逐漸減慢并達(dá)到平衡。這是因?yàn)樯锾课角熬哂写罅炕钚晕稽c(diǎn)，所以前期吸附速率大。隨后，當(dāng)這些活性位點(diǎn)被SMZ逐漸占據(jù)，吸附過(guò)程相對(duì)緩慢。另外，PBC與PNBC對(duì)SMZ的去除率分別為57.59%和64.03%，這表明PNBC的吸附性能高于PBC。主要?dú)w因于PNBC比PBC含有大量有利于吸附SMZ的含氧官能團(tuán)。此外，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)具有更高的R2值，因此準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

表5 PBC和PNBC吸附SMZ的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

為了進(jìn)一步了解SMZ在生物炭PNBC上的吸附動(dòng)力學(xué)，使用粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合了吸附數(shù)據(jù)，模型方程如式(15)所示(Dai et al., 2020)。

Qt=Kit1/2+C

(15)

式中，Ki為模型參數(shù)(mg·g-1·h1/2)，C是與邊界層厚度成比例的參數(shù)(mg/g)。如果t1/2與Qt之間為線(xiàn)性關(guān)系，則顆粒擴(kuò)散控制著吸附過(guò)程，否則多個(gè)過(guò)程共同控制吸附過(guò)程。圖5c和表5顯示了粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合PNBC吸附的動(dòng)力學(xué)結(jié)果。PNBC吸附SMZ過(guò)程包括三步：第一步為SMZ從邊界擴(kuò)散到PNBC表面，較高Ki值表示SMZ從邊界到吸附劑表面的擴(kuò)散很快，因?yàn)槿芤褐蠸MZ濃度高，在吸附開(kāi)始時(shí)，只有少量的SMZ被吸附到PNBC的表面，較高的濃度差可以促進(jìn)SMZ向固體吸附劑外表面的擴(kuò)散，并加速外部傳質(zhì)的過(guò)程。第二步是孔擴(kuò)散和吸附，SMZ傳輸?shù)絇NBC的孔中并吸附在其內(nèi)表面，較小的Ki值表示顆粒中被吸附分子的擴(kuò)散過(guò)程緩慢，并且表明內(nèi)擴(kuò)散限制了整個(gè)吸附過(guò)程。第三步為吸附平衡，極小的Ki值表示此階段的擴(kuò)散速度非常慢，這是因?yàn)槲节呌谄胶?，?dǎo)致孔徑減小，驅(qū)動(dòng)力降低。

圖5 吸附的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究Fig.5 Thermodynamics and kinetics of adsorption a.ln K0與1/T的關(guān)系圖； b.PBC與PNBC吸附SMZ的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)擬合圖； c.粒內(nèi)擴(kuò)散

2.5 溶液pH對(duì)吸附的影響

圖6a為溶液pH在3～10時(shí)，PNBC對(duì)SME的吸附情況。從圖6a可以看出，pH對(duì)生物炭表面電荷特性和表面功能形態(tài)以及SMZ電離度有極大的影響。這是因?yàn)镾MZ的酸解離常數(shù)分別為1.8和5.6，當(dāng)溶液pH<1.8時(shí)，SMZ分子主要以陽(yáng)離子(SMZ+)存在，而pH>5.6時(shí)，以陰離子(SMZ-)形式存在。在酸性pH范圍內(nèi)，吸附劑PNBC表面存在脫質(zhì)子(─COO-)官能團(tuán)；在堿性pH條件下主要形成反質(zhì)子化羧酸鹽(─COOH)。當(dāng)pH為3～4時(shí)，SMZ的吸附量有所增加，這是因?yàn)镻NBC表面帶負(fù)電荷的羧基(─COO-)與SMZ+之間產(chǎn)生靜電相互作用，導(dǎo)致PNBC對(duì)SMZ吸附性增強(qiáng)。然而，當(dāng)pH> 4時(shí), 吸附量逐漸減少，這是由于帶負(fù)電荷的SMZ-和PNBC的羧基(─COO-)之間的靜電排斥作用引起的。當(dāng)pH=4時(shí)，達(dá)到最大吸附容量。

圖6 溶液pH對(duì)吸附的影響(a)、離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響(b)和PNBC的重復(fù)使用性(c)Fig.6 Influence of pH(a)， effect of ionic strength on adsorption (b) and the reusability of PNBC (c)

2.6 離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響

溶液的離子強(qiáng)度也會(huì)影響吸附過(guò)程。使用NaCl(0.05～0.3 mol/L)溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從圖6b中可以看出，PNBC對(duì)SMZ的吸附量在低濃度NaCl溶液(0.05～0.15 mol/L)中略微下降。在較高離子強(qiáng)度(>0.15 mol/L)下，PNBC對(duì)SMZ的吸附量下降明顯。由此可知，加入其他離子會(huì)干擾PNBC對(duì)SMZ的吸附作用，主要是因?yàn)槠渌x子也會(huì)填充PNBC的孔隙，從而導(dǎo)致其吸附能力下降。

2.7 可重復(fù)使用性

可重復(fù)使用性是吸附劑商業(yè)化的重要參數(shù)之一，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到吸附過(guò)程的成本效益。將吸附(平衡8 h)后的PNBC依次用0.1 mol/L NaOH溶液和乙醇沖洗，以便從PNBC表面釋放吸附的SMZ分子。對(duì)解吸后PNBC的重新使用以評(píng)估PNBC的再生性能(圖6c)，經(jīng)過(guò)吸附-解吸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了5個(gè)循環(huán)再生的PNBC效率并沒(méi)有隨著循環(huán)次數(shù)增加而嚴(yán)重下降。第5個(gè)循環(huán)后，吸附容量仍達(dá)到149.68 mg/g，這表明該材料循環(huán)利用不會(huì)明顯降低對(duì)SMZ的吸附能力。因此，PNBC是一種具有前景性的吸附劑。

2.8 吸附機(jī)制

圖7為吸附后的PNBC紅外圖譜，─OH峰從波長(zhǎng)3 379 cm-1移動(dòng)到3 351 cm-1，同時(shí)，羧基特征峰也從波長(zhǎng)1 707 cm-1移動(dòng)到1 708 cm-1，且這兩個(gè)峰強(qiáng)度明顯變?nèi)趿?，表明PNBC表面的羥基和羧基均與SMZ的氨基形成了氫鍵作用。從圖7中還可以發(fā)現(xiàn)，C═C特征峰強(qiáng)度也降低了，表明其也參與了SMZ吸附，在2 919 cm-1出現(xiàn)了新的峰主要?dú)w因于─CH2的伸縮振動(dòng)，表明PNBC吸附了SMZ分子上的─CH2基團(tuán)。另外，在1 158和1 085 cm-1也出現(xiàn)了新的基團(tuán)，對(duì)應(yīng)于SMZ分子上的—SO2與C═S的特征峰。因此，從吸附后的FTIR圖譜證實(shí)了SMZ被吸附到PNBC生物炭表面。

圖7 PNBC吸附前后的FTIR圖譜Fig.7 FTIR spectra before and after the adsorption of PNBC

圖8為PNBC對(duì)SMZ的吸附機(jī)理示意圖。PNBC多孔結(jié)構(gòu)為吸附SMZ提供了大量的吸附活性位點(diǎn)，這是吸附劑吸附能力的決定性因素。同時(shí)，XRD證實(shí)了PNBC表面具有一定的石墨化結(jié)構(gòu)，SMZ的結(jié)構(gòu)包含芳香族基團(tuán)。因此，PNBC和SMZ分子可以形成π-π相互作用。另外，SMZ分子在不同的pH溶液中表現(xiàn)為帶正電的SMZ+與帶負(fù)電的SMZ-，與PNBC的表面─COOH發(fā)生靜電相互作用。此外，SMZ分子結(jié)構(gòu)中的─NH2與PNBC表面上的─OH和─COOH也能形成一定氫鍵作用，從而提高吸附量。

圖8 PNBC吸附SMZ過(guò)程中的潛在機(jī)理 Fig.8 Potential mechanism of adsorption of SMZ by PNBC

3 結(jié)論

本工作利用玉米芯制備了具有多孔石墨化結(jié)構(gòu)且表面含氧官能團(tuán)的生物炭PNBC。PNBC對(duì)SMZ吸附等溫線(xiàn)、熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)的研究表明，該吸附過(guò)程屬于單層化學(xué)吸附，且是吸熱自發(fā)的。吸附結(jié)果表明，在溶液pH=4時(shí)，吸附效果最佳，低離子強(qiáng)度對(duì)吸附過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。在經(jīng)過(guò)5次循環(huán)后，PNBC對(duì)SMZ的吸附容量仍達(dá)到149.68 mg/g。該體系吸附機(jī)理包括孔隙填充、π-π作用、靜電作用、氫鍵作用等。因此，PNBC是一種用于去除廢水中SMZ的經(jīng)濟(jì)性高效吸附劑。