應用探針分子研究骨炭和木炭吸附諾氟沙星的機理

陳廣世，石 炎，薛 聰，邱宇平

（同濟大學環境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

生物炭是生物質在缺氧條件下熱解產生的含碳物質[1]。不同前體來源的生物炭性質相差很大。例如：骨炭通常碳元素含量較低，無機礦物含量較大，孔徑大而比表面積小[2-4]；而木炭碳元素含量大，無機礦物含量低，孔徑小而比表面積大[5-6]；因此會導致二者對污染物的吸附差異顯著。

近些年，氟喹諾酮類抗生素因其應用廣泛、對水體污染嚴重而備受關注[7]，諾氟沙星（NOR）是其典型的代表。Feng等[8]用木薯渣炭吸附NOR，發現隨著熱解溫度的升高，吸附量增加，吸附機理為氫鍵和π-π作用；張涵瑜等[9]用蘆葦基炭吸附溶液中的NOR，最大吸附量為0.006 7 mmol·g-1，其吸附機理主要是氫鍵作用。以上研究都基于植物源炭，而動物源炭對NOR的吸附研究還不多。

分子探針法適用于研究含有多官能團有機物的吸附。Mackay等[10]曾用探針法研究環丙沙星在土壤中的吸附過程，該分子同時含有羧基和哌嗪基，很難判斷哪種基團在土壤吸附中發揮主導作用。因此，該研究引入兩種探針化合物，其分子結構與目標物相似，但分別只含有羧基或哌嗪基。應用此方法，最終揭示了環丙沙星在土壤中的吸附主要依賴哌嗪基的陽離子交換作用。本研究將通過引入探針化合物氟甲喹（FLU）和1-苯基哌嗪（PHP），探索NOR在骨炭和木炭上的吸附差異，并進一步結合生物炭的理化性質，來討論吸附機理。

1 材料與方法

1.1 生物炭與試劑

將干燥的松木和清洗烘干過的豬骨分別置于馬弗爐內，600℃缺氧熱解5 h[11]，熱解后冷卻至室溫，研磨、過 40目篩，制得骨炭（BB）和木炭（WB）。

諾氟沙星（Norfloxacin，NOR）、氟甲喹（Flumequine，FLU）、1-苯基哌嗪（Phenylpiperazine，PHP）和羥基磷酸鈣（Hydroxyapatite，HAP）均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司（純度＞98%），分子體積由Chem-Bio3D軟件模擬分子最小能量態計算獲得，化合物的性質見表1。HCl、NaOH、CaCl2和NaN3均為分析純。

1.2 生物炭的表征方法

BB和WB兩種生物炭的C、H、N、O含量采用元素分析儀（Thermo-Finnige Flash.EA 1112，意大利）測定；比表面積、總孔體積、微孔體積和平均孔徑采用比表面積分析儀（Norcross，GA，美國）測定；表面官能團用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR Nicolet 5700 spec-trophotometer，美國）測定；生物炭的礦物組分采用X射線粉末衍射儀（D8-Advance）分析；生物炭的P和Ca的含量用X-ray能譜儀（S-4800Ⅱ）分析；等電點的測試方法參照文獻[12]。

表1 NOR、FLU和PHP的性質Table 1 Properties of NOR，FLU and PHP

1.3 吸附實驗及影響因素

1.3.1 溶液pH值對吸附的影響

實驗背景液含0.02 mol·L-1NaCl以維持體系離子強度，同時含0.20 g·L-1NaN3，以抑制微生物生長。NOR溶液由NOR純品溶于背景液配制而成，于25 mL安捷倫瓶中加入20 mL濃度為0.156 6 mmol·L-1的NOR溶液，進一步加入0.02 g的BB或WB，搖勻，并置于25℃恒溫箱中黑暗條件下以150 r·min-1的頻率振蕩24 h，使其達到吸附平衡。期間用1 mol·L-1的HCl和NaOH溶液調節溶液pH值，控制溶液平衡pH=2～12，以研究pH值對吸附的影響。結束后取上清液過0.22 μm濾膜，用高效液相色譜儀（HPLC，Agilent 1200，美國）測定溶液中剩余的NOR濃度，測試方法參照文獻[13]。

1.3.2 等溫吸附實驗

稱取0.02 g BB、WB、HAP分別加入至20 mL由背景液配制而成、初始濃度為0.031 3～0.156 6 mmol·L-1的NOR溶液中，分別用1 mol·L-1HCl溶液和NaOH溶液調節pH，使溶液的平衡pH=5，于25℃恒溫箱、無光條件下以150 r·min-1的頻率振蕩24 h，結束后取上清液過0.22 μm濾膜，測定溶液中剩余NOR的濃度。

分別用Langmuir模型和Freundlich模型對以上吸附過程進行擬合，兩公式分別為：

式中：Ce為平衡時溶液中溶質的濃度，mmol·L-1；Qm為最大吸附量，mmol·g-1；KL為 Langmuir 常數，L·mmol-1；KF為吸附容量參數，mmol（1-n）·Ln·g-1；N 是Freundlich常數，表示吸附強度。

1.3.3 探針化合物實驗

分別用背景液配制0.150 0 mmol·L-1NOR、0.150 0 mmol·L-1PHP 和 0.100 0 mmol·L-1FLU 溶液 1 L，在含有0.02 g BB或WB的25 mL安捷倫瓶中分別加入20 mL 初始濃度為 0.012 5～0.150 0 mmol·L-1的 NOR、PHP或FLU，用1 mol·L-1HCl溶液和NaOH溶液調節pH，使溶液的平衡pH=5，于25℃恒溫箱、無光條件下以150 r·min-1的頻率振蕩24 h，結束后取上清液過0.22 μm濾膜，測定溶液中剩余溶質的濃度，PHP和FLU的測試方法參照文獻[10]。

1.3.4 吸附動力學實驗

稱取0.1 g BB、WB分別加入含有200 mL濃度為0.078 3 mmol·L-1NOR溶液的錐形瓶中，調節溶液的pH=5，于25℃恒溫箱、無光條件下以 150 r·min-1的頻率振蕩1～480 min后取上清液過0.22 μm濾膜，測定溶液中剩余溶質的濃度。

通過擬一級、擬二級動力學模型[14]和顆粒內擴散模型[15]來描述BB和WB對NOR的吸附過程，3種模型的表達式為：

式中：qe和qt分別代表NOR平衡吸附量和t時刻的吸附量，mmol·g-1；t是吸附時間，min；k1、k2、k3分別代表各模型的速率常數，單位分別為min-1、g·mmol-1·min-1、mmol·g-1·min-0.5；C 為常數。

2 結果與討論

2.1 生物炭理化性質及表征

BB、WB和HAP的理化性質見表2。由表2中的數據可知原材料對生物炭的理化性質影響較大。WB中主要成分為C（85.95%），而BB中含量較多的元素為Ca和P，分別為27.88%和15.95%，C含量僅為7.98%。BB和HAP的X射線衍射譜圖如圖1所示，可以發現，BB的無機礦物組分主要為HAP，這與先前研究的結果是一致的[16]。

比較BB和WB的比表面積和孔隙結構（表2），可知BB的比表面積和微孔體積遠小于WB，而總孔體積要大于WB，表明BB表面孔隙主要為中孔和大孔，而WB表面主要為微孔。BB的等電點較WB要大，說明BB較WB要偏堿性一些。值得注意的是，HAP的比表面積遠小于WB和BB。

BB、WB和HAP 3種物質的紅外光譜見圖2。可以看出，BB在4000～400 cm-1內光譜強度明顯強于WB，表明BB表面含有的含氧官能團較多[17]。值得注意的是，WB在2000～1000 cm-1的峰強很弱，這說明WB表面的含氧官能團較少或芳香性較強[18]。1089、1033、961 cm-1屬于磷酸基團的吸收峰[19]；1420、1463 cm-1是C-O的吸收峰[20]，3400 cm-1則是羥基官能團吸收峰[5]。BB表面含有較多的羥基官能團，也含有較多的磷酸基團，這與文獻報道一致[2]；WB在3400 cm-1處的峰強較弱，說明其表面羥基含量較低；HAP在1089、1033、961 cm-1處的峰強較強，且與BB的紅外光譜相似，進一步表明BB的主要成分為HAP。

圖1 BB和HAP的X射線衍射譜圖Figure 1 XRD patterns of BB and HAP

表2 BB、WB和HAP的理化性質Table 2 Selected physic-chemical properties of BB，WB and HAP

圖2 BB、WB和HAP的紅外光譜圖Figure 2 The FTIR spectra of BB，WB and HAP

2.2 溶液pH值對兩種生物炭吸附NOR的影響

NOR具有兩個酸解離常數（pKa1=6.23，pKa2=8.55），隨著溶液pH值改變，NOR自身形態也會發生改變；當溶液pH＜6.23時，NOR+占主要部分，而當pH＞8.55時，NOR-占主要部分，6.23＜pH＜8.55 時，NOR0和NOR±為主要部分[21]。這是因為NOR分子同時含有哌嗪基和羧基，其中哌嗪基可以結合溶液中的H+而使NOR分子帶正電，而羧基則容易脫H去質子化而使NOR分子帶負電[22]。

圖3 溶液pH值對NOR吸附作用的影響Figure 3 Effect of solution pH on NOR adsorption

如圖3，在溶液pH=2～12的范圍內，BB對NOR的吸附量要始終大于WB，BB最大吸附量出現在pH=5，而WB則在pH=6.0，在峰值的兩端，二者吸附均呈下降趨勢，這與Peng等[23]用竹炭吸附環丙沙星的結果類似。由表2可知，BB的pHPZC=8.72，因此BB在pH＞8.72時表面帶負電荷，pH＜8.72時帶正電荷。當溶液pH＜5.0或pH＞8.72時，此時BB表面和NOR分子帶同種電荷，由于靜電排斥的作用，導致吸附量下降[22]。而當5.0＜pH＜8.72時，吸附量隨溶液pH的下降而上升。可能是因為BB本身是堿性，pH降低時導致其中的一些堿性礦物被溶解，從而使更多的C暴露出來，增強了吸附能力。對WB而言，當pH＞8.72或pH＜6.0時，WB表面和NOR分子帶同種電荷，產生靜電排斥，從而導致吸附量下降。當溶液pH接近7.0時，NOR分子在水溶液中的形態主要為凈電荷為0的NOR0，此時其與WB之間的疏水作用最強。在pH=7.0～8.72范圍內，隨pH下降，NOR的疏水性增強，因而吸附增大。當pH從7.0降至6.0時，吸附趨勢增加，這是因為在此pH變化范圍內，NOR+分子含量增加。吸附質分子與吸附劑之間的π+-π作用力要強于π-π作用力，因此吸附量增大。

2.3 NOR吸附等溫線比較

圖4 NOR吸附等溫線Figure 4 Adsorption isotherms of NOR on BB，WB and HAP

表3 NOR吸附模型擬合參數Table 3 Langmuir and Freundlich parameters of NOR adsorption

BB、WB和HAP的等溫吸附線（圖4）采用常見的Langmuir和Freundlich模型來擬合，相關參數見表3。可以看出Langmuir模型擬合的效果較Freundlich模型更優。BB對NOR的最大單層[24]吸附量（Qm）為0.114 1 mmol·g-1，與文獻中報道的其他種類生物炭相比，具有較大優勢（表4），而WB和HAP的Qm分別為 0.060 2 mmol·g-1和 0.006 7 mmol·g-1。BB 對NOR的吸附量高于WB，而HAP吸附量遠低于BB和WB，說明HAP對NOR的吸附能力很弱。因此可以推測BB吸附NOR的過程中，無機組分幾乎不發揮作用；這同時也表明，BB吸附量大于WB的原因并不能歸結于無機礦物組分。而HAP吸附NOR弱的原因可能在于：HAP 比表面積太小（5.89 m2·g-1），導致 NOR與HAP上羥基無法充分接觸形成氫鍵；另外據Srinivasan等[25]的研究，發現HAP的晶格是層狀疊加結構，部分羥基被包裹在內部，也減少了與NOR分子的接觸，從而使HAP未能有效吸附NOR。

2.4 探針化合物法探究吸附機理

為了探究不同生物炭（BB和WB）吸附NOR的機理，實驗引入了兩種探針化合物FLU和PHP（表1）。兩種探針化合物各含有一個與NOR分子類似的官能團結構。其中，FLU和NOR分子都含有一個氧代喹啉羧基結構，PHP和NOR分子都含有哌嗪基。NOR、FLU 和 PHP 分子體積分別為 281.8 ?3、126.0 ?3和64.1 ?3，可知NOR分子體積大于FLU和PHP。

圖5 BB和WB對NOR、PHP和FLU的吸附等溫線Figure 5 Adoption isotherms of NOR，PHP and FLU onto BB and WB

表4 文獻中報道的不同類別生物炭對NOR的吸附量Table 4 Adsorption capacity of NOR onto different kinds of biochar reported in other literatures

表5 NOR、PHP和FLU吸附等溫線擬合參數Table 5 Adsorption isotherms parameters of NOR，PHP and FLU

BB和WB對NOR、FLU和PHP的吸附等溫線見圖5，擬合參數見表5。FLU在BB上的吸附量大于NOR，而PHP在BB上的吸附量小于NOR。表明BB在吸附NOR過程中，NOR分子上的氧代喹啉羧基發揮了重要作用；相比而言，NOR上的哌嗪基對吸附過程的影響較小。此外，紅外光譜揭示，BB表面含有大量羥基（圖2），可以和NOR分子上的氧代喹啉羧基形成氫鍵[8]。然而WB對FLU和PHP的摩爾吸附量均大于NOR的吸附量，說明NOR上的羧基和哌嗪基對吸附過程的影響較小。由圖2可知，WB表面含氧官能團較少，無法與NOR分子形成氫鍵作用。同時，WB碳化完全，芳香碳含量高。因此，WB吸附NOR可能是π-π作用推動[9]。而WB以微孔結構為主，體積較大的NOR受制于空間位阻效應，吸附要明顯弱于FLU和PHP。

2.5 吸附動力學

利用擬一級動力學、擬二級動力學和顆粒內擴散模型擬合動力學實驗數據，動力學曲線見圖6，擬合參數見表6。由表6可知，擬二級動力學模型的擬合效果更好，表明生物炭對NOR吸附過程主要受生物炭表面吸附位點控制，與溶液中吸附質的濃度無關[29]。這一結論與其他研究生物炭對抗生素吸附動力學的結論是一致的[8]。

值得注意的是，BB和WB的擬二級動力學速率常數 k2分別為 19.959 8、42.872 7 g·mmol-1·min-1，BB的k2要遠小于WB。表明在吸附過程中，BB要比WB先到達吸附平衡[9]。這一結果從另一個方面說明了WB在吸附NOR時所受到的空間位阻要大于BB，從而導致吸附達到平衡的時間延遲。

圖6 BB和WB吸附NOR的動力學曲線Figure 6 Sorption kinetic of NOR onto BB and WB

表6 吸附動力學模型擬合結果Table 6 Modelling the adsorption kinetics of NOR on BB and WB

3 結論

（1）溶液pH對生物炭吸附NOR的能力影響較大，BB和WB分別在pH=5.0和pH=6.0達到峰值。

（2）BB中主要組分為無機礦物HAP，但在吸附NOR的過程中幾乎不起作用。

（3）FLU和PHP的分子探針實驗表明，NOR分子上的氧代喹啉羧基可能是吸附的關鍵基團，而WB吸附NOR的主要機理為π-π作用。

（4）吸附動力學研究表明，兩種生物炭對NOR吸附過程主要受生物炭表面吸附位點控制。NOR的空間位阻是導致其在WB上吸附達到平衡的時間要長于BB的重要原因。

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