图像：

微波辅助β-环糊精改性富钙生物炭去除废水中四环素：机理研究、机器学习、密度泛函理论计算和生命周期评价

图片来源：Chong Liu、Grégorio Crini、Ricardo Bello-Mendoza、Lee D. Wilson、Ali H. Jawad、Paramasivan Balasubramanian、Xuan Cuong Nguyen、Qingfu Cheng 和 Fayong Li

水体中的抗生素残留日益成为一个环境问题，尤其是在广泛使用的药物能够通过人类、牲畜和水产养殖系统进入河流、地下水和土壤的情况下。四环素是一种常见的广谱抗生素，也是一种此类污染物。尽管它能有效治疗细菌感染，但它会在环境中长期存在，并造成生态风险。

如今，研究人员开发出一种前景广阔的材料，可以将两种储量丰富的废弃物——棉秆和废弃蛋壳——转化为高效吸附剂，用于去除受污染水中的四环素。这项发表在《生物炭》（Biochar）杂志上的研究介绍了一种β-环糊精改性的富钙棉秆生物炭，命名为Ca@CBC/β-CD，它是通过微波辅助交联工艺制备的。

“我们的目标是设计一种实用的吸附剂，它不仅高效，而且由低成本的废弃物衍生资源制成，”通讯作者李法勇教授说。“通过将棉秆生物炭、蛋壳衍生的钙和β-环糊精结合起来，我们创造了多种方法使这种材料能够捕获四环素分子。”

这种新型材料通过物理和化学相互作用的结合发挥作用。棉秆生物炭提供了一种多孔碳骨架。蛋壳来源的钙引入了活性矿物位点。β-环糊精是一种由淀粉制成的环状分子，它增加了空腔状结构和羟基，有助于捕获有机污染物。

实验室测试表明，Ca@CBC/β-CD 在 pH 值接近 6 时对四环素的吸附性能最佳，该 pH 值条件与许多天然水体和废水系统相符。其在 45 °C 下的最大吸附容量达到 161.91 mg g⁻¹，高于在较低温度下测得的吸附容量。该材料对水中常见的共存离子也表现出良好的耐受性，经过五次重复使用循环后仍能保持初始吸附容量的 84% 至 86%，表明其具有可重复使用的潜力。

为了探究吸附剂优异性能的原因，研究团队采用了光谱分析和密度泛函理论计算。结果表明，四环素的去除主要由钙介导的内球络合和表面桥接、β-环糊精主客体包合以及多点氢键作用驱动。简而言之，四环素分子并非仅通过单一机制被捕获，而是通过生物炭表面多种协同相互作用被固定。

该研究还结合机器学习技术预测了不同实验条件下的吸附行为。在六个测试模型中，梯度提升决策树模型表现最佳，测试集R²值达到0.9914。该模型识别出初始四环素浓度、吸附剂用量和接触时间是控制吸附容量的最重要因素。研究人员还开发了一个基于Python的图形界面，用于快速预测和实验设计。

“机器学习帮助我们摆脱了单因素实验的局限，”共同作者格雷戈里奥·克里尼教授说。“它提供了一种更快的方法来评估性能，并且可以在进行昂贵的实验之前指导未来的优化。”

研究人员进一步评估了吸附剂生产的环境足迹。生命周期评估发现，制备阶段每生产1公斤吸附剂会产生5.44公斤二氧化碳当量，其中电力消耗是主要的环境污染源。这表明存在一个明确的改进方向：降低生产过程中的能源需求可以提高该材料的可持续性。

作者指出，这项工作是概念验证，未来的研究应该优化蛋壳与生物炭的比例、β-环糊精的用量、微波条件，并在连续流动系统中测试该材料。

这些研究结果共同为抗生素污染控制提供了一种废物资源化策略，并为开发用于实际废水处理的下一代生物炭吸附剂提供了设计框架。