老化秸秆生物炭对诺氟沙星吸附特性的研究

陈天涯，袁木子，张舒羽，马秀兰*，韩兴，王玉军，王波

（1.吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118；2.吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，长春 130118；3.吉林农业大学信息技术学院，长春 130118）

近年来，我国抗生素制造商和消费者数量均全球领先。调查报告显示，2015 年，我国抗生素总使用量约为15 万～20 万t，主要用于治疗畜禽和人类感染。诺氟沙星[1-乙基-6-氟-1，4-二氢-4-氧代-7-（1-哌嗪基）-3-喹啉羧酸，NFX]是氟喹诺酮类抗生素中的一种，有关研究发现环境中的诺氟沙星会诱导病原微生物产生抗药性，从而危害生态系统安全和人体健康。因此去除水环境中的诺氟沙星，对于修复和缓解水环境污染、保障水环境质量具有重要意义。

生物炭是在限氧条件下热解（＜700 ℃）形成的多孔富碳固体，也被称为黑炭。生物炭具有比表面积大、吸附能力强、活性官能团丰富、原料来源广泛的优点，常被用于环境修复。投入环境中的生物炭易与环境中的各种组分发生作用，导致其本身性质发生变化，如元素含量、表面官能团和表面形貌等，从而影响生物炭的吸附效果。RECHBERGER 等在20 ℃和30 ℃下对3 种生物炭进行了老化培养试验，结果表明，老化过程使生物炭表面粗糙，微观孔径和含氢、含氧官能团数量改变。唐伟等将稻壳炭和玉米秸秆炭进行了老化培养，结果表明，老化生物炭的氧含量增加，土壤生物炭表面羧基减弱，脂肪族官能团增加，醚键增加。MARTIN 等和GHAFFAR 等的研究结果表明，老化作用使生物炭芳香性降低，亲水性和极性增强，从而对疏水性有机物——莠去津、邻苯二甲酯的吸附能力降低。JIN 等的研究结果表明，老化后生物炭表面含氧官能团增加，亲水性增加，使生物炭与周围水分子形成强烈的氢键作用，在其表面形成水膜，不利于污染物与生物炭表面吸附位点结合。汪艳如等的研究结果表明，老化前后牦牛粪生物炭对氨氮的吸附动力学模型符合准二级动力学，吸附等温模型符合Freundlich模型。

本研究选取常见的农业废弃物玉米秸秆为原材料制备生物炭，采用高温老化、冻融循环老化和自然老化3 种方式，模拟生物炭在环境中的变化，并研究老化前后生物炭理化性质、官能团和表面结构的变化；通过诺氟沙星吸附试验，建立吸附动力学和等温热力学模型，研究3 种老化方式对生物炭吸附诺氟沙星的影响，为合理高效利用生物炭提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

试剂：诺氟沙星标准品（纯度99.9%）购自阿拉丁试剂（上海）有限公司；甲酸、乙腈为色谱纯，HCl、NaOH、KCl、MgCl、AlCl均为分析纯。

仪器：LC-20AT 型高效液相色谱仪（日本岛津公司）；FTIR-8400S 型红外光谱仪（日本岛津公司）；FEI Inspect S50 型扫描电子显微镜（美国赛默飞科技）；VARIO EL cube 型元素分析仪（德国Elementar）；VBF-1200X 型马弗炉（合肥科晶材料技术有限公司）；BSD-PS1型比表面积及孔径分析仪（北京贝世德仪器有限公司）；PHS-3C 型酸度计（浙江纳德科学仪器有限公司）。

1.2 老化生物炭的制备

1.2.1 生物炭的制备

以玉米秸秆为原材料，用蒸馏水清洗，烘干、粉碎，过20目筛。试验设置热解温度为600 ℃，热解4 h后，冷却至室温，研磨过100 目筛，密封保存、备用，此为原始生物炭，记为CBC。

1.2.2 老化生物炭的制备

自然老化：将制备好的原始生物炭放入密闭容器中，于室温条件下培养30 d，保持40%的含水率，记为CBC。

冻融循环老化：将制备好的原始生物炭放入密闭容器中，在-20 ℃下保存24 h，取出后在25 ℃下保存24 h，2 d 为一个循环，一共15 个循环，时间总长为30 d，保持40%的含水率，记为CBC。

高温老化：将制备好的原始生物炭放入密闭容器中，在50 ℃的培养箱中保存30 d，保持40%的含水率，记为CBC。

1.3 生物炭吸附特性的研究

准确称取0.050 0 g 生物炭至离心管中，加入20 mL浓度为100 mg·L的诺氟沙星溶液（含有0.01 mol·LNaN作为抑菌剂），置于恒温振荡摇床，于25 ℃下避光振荡0、10、30、60、120、240、480、720、1 440 min后取样，10 000 r·min离心10 min，0.22 µm 滤膜过滤，用液相色谱法测定上清液中诺氟沙星的浓度，确定其吸附动力学曲线。

称取0.050 0 g 生物炭至离心管中，加入20 mL 浓度为20、40、60、80、100、120、140 mg·L的诺氟沙星溶液（含有0.01 mol·LNaN作为抑菌剂），分别在15、25、35 ℃下恒温避光振荡24 h 后取样，10 000 r·min离心10 min，0.22µm 滤膜过滤，用液相色谱法测定上清液中诺氟沙星的浓度，确定其吸附等温热力学曲线。

用NaOH 和HCl 调节背景溶液的pH 分别为3.0、5.0、7.0、9.0、11.0，研究pH对吸附量的影响。

调节溶液初始pH 为7.0，溶液中分别加入不同浓度的K、Mg、Al（含有0.01 mol·LNaN作为抑菌剂），离子浓度分别为0.01、0.05、0.10、0.15、0.20 mol·L，探究离子类型和离子浓度对生物炭吸附诺氟沙星的影响。

1.4 生物炭理化性质的测定及表征

参照《木质活性炭试验方法pH的测定方法》（GB/T 12496.7—1999）测定生物炭pH；参照《木炭和木炭试验方法》（GB/T 17664—1999）测定生物炭灰分；采用元素分析仪（Vario EL cube，德国Elementar公司）测定生物炭中C、H、N、S 元素的含量，O 元素含量用差减法得到；采用扫描电子显微镜（Merlin，德国蔡司公司）观测生物炭的微观形貌；采用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR-8400S，日本岛津）测定生物炭的红外光谱。

1.5 色谱检测条件

高效液相色谱仪（LC-20AT 型日本岛津公司）：色谱柱，ZORBAX EclipseXDB-C18 150 mm×4.6 mm；柱温40 ℃；流动相为0.1%的甲酸溶液（∶=20∶80），流速为0.2 mL·min；检测波长为278 nm；保留时间为4 min。

1.6 数据处理

1.6.1 吸附量

式中：为吸附量，mg·g；为溶液的体积，L；为吸附材料的质量，g；和分别为溶液中诺氟沙星的初始浓度和平衡浓度，mg·L。

1.6.2 吸附动力学

式中：Q为时刻诺氟沙星的吸附量，mg·g；为吸附平衡时单位质量的生物炭对诺氟沙星的吸附量，mg·g；、分别为准一级、准二级动力学方程的吸附速率常数。

1.6.3 吸附等温线

式中：为平衡吸附量，mg·g；为理论最大吸附量，mg·g；为吸附达到平衡时溶液中诺氟沙星浓度，mg·L；为Langmuir 常数，L·mg；和均为Freundlich模型相关常数；为分离因子，也称平衡参数；为诺氟沙星的初始浓度，mg·L。

1.6.4 吸附热力学

采用吉布斯自由能方程计算吸附过程的热力学参数（焓变、熵变）变化，分析温度对平衡吸附的影响。其公式为：

式中：Δ为吉布斯自由能变，kJ·mol；Δ为焓变，kJ·mol；Δ为熵变，kJ·mol·K；为理想气体常数，8.314 J·mol·K；为开氏温度，K；在ln与1/的关系直线中，斜率和截距分别对应Δ和Δ的值。

2 结果与讨论

2.1 老化前后生物炭的表征

2.1.1 老化前后生物炭的理化性质

老化前后生物炭的理化性质如表1 所示。由表可知，老化使生物炭的灰分含量减少，pH 降低。生物炭的老化是羧基增加的过程，且不同老化方式下羧基数量增加的程度不同，而羧基属于含氧酸性官能团，因此老化后生物炭的pH 均有不同程度的降低。老化前后生物炭的比表面积相对变化不明显，但平均孔径明显减小，原因可能为老化使生物炭的孔壁塌陷、表面破碎。老化后的生物炭中的H、N、S 元素的含量变化较小，C 元素含量显著降低，O 元素含量显著升高。与原始生物炭相比，自然老化、冻融循环老化、高温老化后生物炭的C 元素含量降低了8.0%、13.5%、19.9%，而O 元素含量增加了23.7%、28.7%、30.3%，其中影响最大的为高温老化，其次是冻融循环老化，自然老化的影响最小。老化使生物炭表面不稳定的C元素因受到温度、水分或微生物活动的影响而流失；在老化过程中生物炭受到氧化作用的影响而形成较多的含氧官能团，从而使O 元素的含量增加。H/C 通常用来表征生物炭的芳香性，（O+N）/C 表征极性指数。老化后H/C、O/C、（O+N）/C 均有不同程度的增加。老化处理过程中始终保持40%的含水率，导致生物炭中可溶性矿物的释放，从而降低了O/C 的增加幅度，这也是老化生物炭pH和灰分下降的原因之一。CBC、CBC、CBC比CBC 的H/C 增加了0.06、0.10、0.12，O/C 增加了0.02、0.02、0.04，（O+N）/C 增加 了0.02、0.02、0.03，表明老化作用使生物炭中的含氧官能团增加，极性增加，芳香性降低，这与SORRENTI等和CHENG等的研究结果一致。

表1 老化前后生物炭的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of original and aged biochar

2.1.2 老化前后生物炭的红外光谱分析

图1 老化前后生物炭的FT-IR谱图Figure 1 FT-IR spectra of original and aged biochar

2.1.3 老化前后生物炭扫描电镜分析

图2为老化前后生物炭的扫描电镜（SEM）图。从图中可以观察到，3 种老化方式对CBC 的表面形貌均影响显著。CBC表面具有明显的管状孔隙结构，排列密实、规则，表面孔道完整、光滑、无破损；CBC表面基本保留了孔道结构，局部有破损；CBC孔道结构明显被破坏，孔壁变薄，表面有碎片；CBC的微观结构有明显变化，表面发生断裂，孔道结构被完全破坏而变成碎片，孔壁塌陷，导致生物炭表面的吸附位点被堵塞，不利于对诺氟沙星的吸附。

图2 老化前后生物炭的SEM图Figure 2 SEM diagrams of original and aged biochar

2.2 秸秆生物炭对诺氟沙星吸附特性的研究

2.2.1 吸附动力学分析

不同吸附时间对老化前后生物炭吸附诺氟沙星的影响如图3 和表2 所示。在25 ℃的反应条件下，老化前后生物炭对诺氟沙星的平衡吸附量为CBC（35.21 mg·g）＞CBC（33.27 mg·g）＞CBC（32.50 mg·g）＞CBC（30.00 mg·g），自然老化、冻融循环老化和高温老化分别使CBC 的吸附量降低了5.51%、7.70%、14.80%。CBC、CBC、CBC对诺氟沙星的吸附量均随反应时间的增加而增加，3 种生物炭同样具有较快的吸附速率，0～180 min 为快速吸附阶段，180～480 min 为慢速吸附阶段，大于480 min 后基本达到吸附平衡，这与CBC吸附诺氟沙星的过程基本一致。

表2 老化前后生物炭的吸附量（mg·g-1）Table 2 Adsorption capacities of original and aged biochar（mg·g-1）

图3 老化前后生物炭的吸附动力学曲线Figure 3 Adsorption kinetic curves of original and aged biochar

表3为老化前后生物炭对诺氟沙星吸附动力学的拟合结果。准二级动力学模型能够较好地反映老化前后生物炭对诺氟沙星的吸附行为，CBC、CBC、CBC、CBC用 准二级 模 型拟合 的（0.987、0.992、0.994、0.986）优于准一级模型（0.961、0.967、0.957、0.950）；准二级动力学模型拟合的理论平衡吸附量也与试验得出的实际吸附量更为接近，这表明生物炭吸附诺氟沙星的过程是多重机理的复合效应，包括快速的物理吸附过程和缓慢的化学吸附过程。老化后的生物炭吸附阶段的线性拟合曲线仅有初始阶段通过坐标原点，表明颗粒内扩散不是控制吸附速率的唯一步骤，其吸附构成还受到表面吸附和外界液膜扩散等的影响。

表3 生物炭吸附诺氟沙星的动力学模型参数Table 3 Kinetic model parameters of biochar adsorption of norfloxacin

2.2.2 吸附等温热力学分析

为了解老化后生物炭对诺氟沙星的吸附特性和吸附机制，在25 ℃下对不同初始浓度（20、40、60、80、100、120、140 mg·L）的诺氟沙星进行吸附试验，结果如图4 所示。随着初始浓度的增加，生物炭表面的吸附位点和活性基团数量逐渐达到饱和，吸附速率逐渐降低，并且老化后生物炭对诺氟沙星的吸附能力比原始生物炭明显减小，表现为CBC＞CBC＞CBC＞CBC。

图4 老化前后生物炭的等温吸附曲线Figure 4 Isotherm adsorption curves of original and aged biochar

为了进一步解释老化后生物炭对诺氟沙星的吸附特性，选择Langmuir 和Freundlich 模型对老化前后生物炭吸附诺氟沙星的等温吸附过程进行拟合，拟合参数见表4。由表4 可知，Langmuir 模型拟合的（0.861～0.995）高于Freundlich 模型拟合的（0.744～0.931），这说明老化后的生物炭吸附诺氟沙星属于单分子层吸附，通过拟合参数发现，随着反应温度的上升，生物炭的吸附量逐渐增大，说明温度升高有利于生物炭对诺氟沙星的吸附。通过平衡参数值（参考分离因子公式）判断生物炭是否能有效吸附诺氟沙星：0＜＜1 为有利吸附，＞1 为不利吸附，=1为线性吸附，=0 为不可逆吸附。由表4 计算得到，CBC、CBC、CBC和CBC的分别为0.12～0.42、0.21～0.32、0.08～0.13 和0.24～0.33，说明老化前后的生物炭对诺氟沙星的吸附均为有利吸附。老化后的生物炭对诺氟沙星的吸附能力均降低，因为老化过程使生物炭的灰分含量减少、pH降低、芳香化程度降低、表面碱性基团数量减少、酸性官能团数量增加，同时老化使生物炭表面局部断裂破碎、孔洞塌陷，导致吸附位点被阻塞，这些原因均会导致老化生物炭对诺氟沙星的吸附能力降低。

表4 Langmuir和Freundlich模型拟合参数Table 4 Fitting parameters of Langmuir and Freundlich models

表5为生物炭吸附诺氟沙星的热力学参数。4种生物炭的Δ＜0，且随着温度的升高而降低，说明生物炭吸附诺氟沙星是自发进行的。Δ＞0，说明吸附过程是吸热反应，升温有利于吸附。当Δ为2.10～20.90 kJ·mol时，吸附作用主要是物理吸附，表明生物炭中存在吸附位点；当Δ为20.90～418.40 kJ·mol时，吸附作用主要为化学吸附，表明生物炭表面的官能团参与了反应。新鲜生物炭CBC 对诺氟沙星的吸附主要为物理吸附，老化后的生物炭既有物理吸附又存在化学吸附，说明老化后生物炭上的官能团参与了反应。老化前后的Δ＞0 说明吸附过程以熵驱动为主，吸附过程固液面的混乱程度增加，说明吸附是无序的过程。

表5 生物炭对诺氟沙星的吸附热力学参数Table 5 Thermodynamic parameters of norfloxacin adsorption by biochar

2.2.3 背景液pH对生物炭吸附诺氟沙星的影响

背景液不同的pH对生物炭吸附诺氟沙星的影响如图5 所示。随着pH 的逐渐增大，老化前后生物炭对诺氟沙星的吸附量均先增大后减小，当pH 为7.0时，吸附量达到最大，CBC、CBC、CBC和CBC的吸附量分别为37.75、35.86、33.87 mg·g和27.96 mg·g，高温老化使生物炭对诺氟沙星的吸附能力显著降低，冻融循环老化次之，自然老化与新鲜生物炭吸附量差异较小。诺氟沙星为酸碱两性物质，其结构中的羧基显酸性，哌嗪基显碱性。pH 会影响诺氟沙星在环境中的存在形态，张琴等研究发现偏酸和偏碱的环境均不利于对诺氟沙星的吸附，这与本文试验结果一致。

图5 不同pH对老化前后生物炭吸附诺氟沙星的影响Figure 5 Effects of different pH values on the adsorption of norfloxacin by original and aged biochar

诺氟沙星有2 个酸解离常数（p=6.10，p=8.70），当溶液pH 为3.0 和5.0 时，诺氟沙星的存在形态以阳离子为主，H与其竞争吸附位点，导致吸附量降低；当溶液pH 为7.0 时，诺氟沙星的存在形态以中性离子为主，生物炭表面的酸性官能团通过静电吸附作用与其相结合，使吸附能力增强；当溶液pH 为9.0和11.0时，诺氟沙星的存在形态以阴离子为主，与OH之间的静电排斥力增强，使吸附量降低。

2.2.4 离子类型和离子浓度对生物炭吸附诺氟沙星的影响

不同离子类型对老化前后生物炭吸附诺氟沙星的影响如图6所示。从图中可见，K、Mg、Al对老化前后生物炭吸附诺氟沙星均有明显的抑制作用，其抑制能力表现为Al＞Mg＞K。与添加K溶液相比，添加Mg的背景电解质溶液使CBC、CBC、CBC、CBC的吸附量降低了14.58%、23.21%、26.74%、29.63%，添加Al的背景电解质溶液使CBC、CBC、CBC、CBC的吸附量降低了23.77%、32.65%、34.71%、39.68%，可见离子价态越高越不利于生物炭对诺氟沙星的吸附。其原因可能为高价态阳离子比低价态阳离子带正电荷更多，价态升高，溶液中的正电荷增加，与诺氟沙星竞争更多的负电荷吸附位点，从而影响了生物炭以离子交换的形式对诺氟沙星进行吸附，此结果与张琴等的研究中，阳离子价态越高，对诺氟沙星在胡敏酸上的吸附越不利的结果相同。

图6 离子类型对老化前后生物炭吸附诺氟沙星的影响Figure 6 Effects of ion type on the adsorption of norfloxacin by original and aged biochar

不同离子浓度对老化前后生物炭吸附诺氟沙星的影响如图7 所示。从图中可见，当K浓度由0.01 mol·L升 高 到0.20 mol·L时，CBC、CBC、CBC和CBC对诺氟沙星的吸附量分别降低了11.45%、28.53%、32.00%和54.55%；随着Mg浓度的增大，CBC、CBC、CBC和CBC的吸附量降低了28.00%、28.72%、35.00% 和56.67%；随着Al浓度的增大，CBC、CBC、CBC和CBC的吸附量降低了72.10%、73.33%、77.78%和80.12%。随着阳离子浓度的升高，老化前后生物炭对诺氟沙星的吸附量呈明显下降的趋势，原因为离子浓度越高，其占据的生物炭吸附位点越多，使吸附量明显下降。在高鹏等的研究中，阳离子浓度越高，对高岭土吸附诺氟沙星的影响越大。王增双的研究表明，离子强度对煤矸石及其改性产品吸附抗生素的影响主要表现为抗生素吸附量随离子浓度的增加而降低，阳离子对吸附过程具有竞争作用。这些研究结果与本文的试验结果相吻合。

图7 不同离子浓度下老化前后生物炭对诺氟沙星的吸附量Figure 7 Adsorption capacities of norfloxacin on original and aged biochar under different ion concentrations

2.3 吸附机理

生物炭对诺氟沙星的吸附机理主要包括孔隙填充、静电引力、氢键作用和疏水作用等（图8）。根据SEM图可知，生物炭的表面有大量孔隙，孔隙越多，提供的诺氟沙星吸附位点越多。从吸附动力学可知，诺氟沙星的吸附过程为简单的孔隙填充作用，随着吸附时间的增加，吸附位点被逐渐占据，阻力增大，吸附能力开始降低。背景液pH对诺氟沙星吸附量的影响试验结果表明，诺氟沙星和生物炭表面离子在不同酸碱程度下显现出不同的带电性，当诺氟沙星与生物炭表面离子产生静电排斥作用时，吸附量下降，当诺氟沙星与生物炭表面离子发生结合作用时，吸附量增大，此过程为静电引力作用。此外，喹诺酮类抗生素分子具有疏水性，疏水作用促使诺氟沙星分子附着于生物炭表面。根据FT-IR 图可知，生物炭表面有丰富的活性基团（羟基、羰基、醛基等）和芳香基团等，并且不同的生物质原料包含的基团数量不同，而活性基团中的羟基与诺氟沙星上的烯酮、酚基、羟基和胺基等部分形成氢键，使溶液中的诺氟沙星减少，此过程为氢键作用。

图8 生物炭吸附诺氟沙星的机理Figure 8 The mechanism of norfloxacin adsorption by biochar

3 结论

（2）老化前后生物炭对诺氟沙星的吸附更符合准二级动力学模型，自然老化、冻融循环老化和高温老化分别使生物炭的吸附量降低了5.51%、7.70%、14.80%；等温吸附拟合结果表明，Langmuir 模型能更好地拟合诺氟沙星在生物炭上的吸附过程，此吸附为自发吸热且熵增大的过程。

（3）随着pH的增大，老化前后生物炭对诺氟沙星的吸附量呈现先增大后减小的趋势，pH 为7 时，吸附量最大。K、Mg、Al对老化前后生物炭吸附诺氟沙星均有明显的抑制作用，其抑制能力表现为Al＞Mg＞K。