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| FESE | 前沿研究：3D复合气凝胶对氟喹诺酮类药物的高效去除 |
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论文标题：Simple fabrication of carboxymethyl cellulose and κ-carrageenan composite aerogel with efficient performance in removal of fluoroquinolone antibiotics from water（3D复合气凝胶对氟喹诺酮类药物的高效去除）
期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering
作者：Na Li, Boqiang Gao, Ran Yang, Hu Yang
发表时间：24 Oct 2022
DOI：10.1007/s11783-022-1568-x
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提 要
抗生素滥用引起的水污染问题已受到人们的广泛关注。氟喹诺酮类药物化学稳定性较好，释放至水环境后可能会造成细菌耐药、生物累积和其它毒性作用。本研究用羧甲基纤维素和κ-卡拉胶制备了复合气凝胶(CMC-CG)，利用3D网络气凝胶的多组分和互穿网络结构特性，实现了对水中以环丙沙星为代表的氟喹诺酮类药物的高效吸附。
图1 摘要图
研 究 概 览
本研究采用一锅合成法制备了一系列由不同含量的甲基纤维素（CMC）和κ-卡拉胶（κ-CG）组成的CMC-CG气凝胶，通过FTIR、SEM、TGA等分析表明交联互穿网络结构的CMC-CG气凝胶被成功制备。其中，κ-CG含量为40 wt%的CMC-CG2具有更好的孔隙网络结构。随后，以环丙沙星（CIP）作为模型物质，开展了该气凝胶的吸附性能研究。
批量实验表明，随着κ-CG含量的增加，CMC-CG对CIP的吸附量增大，主要是由于新引入的硫酸基团对CIP有更强的亲和力。pH依赖性实验表明，CMC-CG2对水中的各种氟喹诺酮类均具有良好的吸附性能。共存物质影响的实验表明，高浓度阳离子（Na+、Ca2+、Cu2+和Fe3+）会抑制CMC-CG2对CIP的吸附，而Cu2+和Fe3+离子低浓度条件下可通过桥接作用从而增强CIP的吸附；此外，共存腐殖酸会与CIP竞争吸附位点，从而使CIP吸附量降低。
图2 (a) pH对CMC和CMC-CG气凝胶吸附CIP性能的影响；(b) pH对CMC-CG2气凝胶吸附FQs (CIP、NOR、ENR和OFL)和分子探针(FPP和FLU)性能的影响，初始污染物浓度为0.2 mmol/L
[(a)内嵌图为CIP的化学结构和不同pH值时各种CIP物种的分布情况；(b)内嵌图为FPP和FLU的化学结构]
结合吸附动力学、等温线、热力学、FTIR、XPS以及两种探针的吸附性能实验表明，CMC-CG主要通过静电和氢键作用对CIP进行吸附，其中静电作用占主导地位。吸附饱和的CMC-CG可通过NaCl溶液进行重复再生利用(循环再生5次后，吸附容量损失小于8%)，也可直接作为Cu2+的有效吸附剂。
图3 (a) CMC-CG2气凝胶在5个吸附-解吸循环中CIP的qe变化；(b) 在25℃下，pH值对CMC-CG2气凝胶解吸CIP的影响；(c) 在25℃，pH值对CMC-CG2气凝胶吸附Cu2+的影响
综上所述，该研究由CMC和κ-CG复合制得的CMC-CG气凝胶具有环境友好、成本低、制备和实际应用操作简单、再生性能好等特点，可高效去除水体中的氟喹诺酮类药物。
编 者 按
抗生素作为新型污染物受到了研究者们的广泛关注，研究抗生素的去除对保护生态环境健康具有重要意义。本文开发了一种具有互穿网络结构的复合气凝胶，可高效去除水中的氟喹诺酮类药物。该材料制备方法简单且环保经济、可重复利用，具有广阔的应用前景，为水体中氟喹诺酮类药物的控制工作提供了重要参考和理论指导。
文稿 | 张铠珍，南京大学
编者 | 张孝林，南京大学，FESE青年编委
审校 | 张 姣
本文内容来自FESE期刊2022年第16卷第10期发表的Research article文章“Simple fabrication of carboxymethyl cellulose and κ-carrageenan composite aerogel with efficient performance in removal of fluoroquinolone antibiotics from water”。通讯作者为南京大学杨琥教授。
引用格式：Na Li, Boqiang Gao, Ran Yang, Hu Yang. Simple fabrication of carboxymethyl cellulose and κ-carrageenan composite aerogel with efficient performance in removal of fluoroquinolone antibiotics from water. Front. Environ. Sci. Eng., 2022, 16(10): 133
摘要
3D composite aerogels (CMC-CG) composed of carboxymethyl cellulose and κ-carrageenan were designed and fabricated using the one-pot synthesis technique. The optimized CMC-CG showed a good mechanical property and a high swelling ratio due to its superior textural properties with a proper chemically cross-linked interpenetrating network structure. CMC-CG was utilized for the removal of various fluoroquinolones (FQs) from water and exhibited high adsorption performance because of effective electrostatic attraction and hydrogen bonding interactions. Ciprofloxacin (CIP), a popular FQ, was used as the representative. The optimized CMC-CG had a theoretically maximal CIP uptake of approximately 1.271 mmol/g at the pH of 5.0. The adsorption capacity of CMC-CG was improved in the presence of some cations, Cu2+ and Fe3+ ions, at a low concentration through the bridging effect but was reduced at a high concentration. The investigation of adsorption mechanisms, based on the adsorption kinetics, isotherms and thermodynamic study, Fourier transform infrared spectrometry and X-ray photoelectron spectroscopy analyses before and after adsorption, and changes in the adsorption performance of CMC-CG toward two molecular probes, further indicated that electrostatic attraction was the dominant interaction rather than hydrogen bonding in this adsorption. CMC-CG after saturated adsorption of CIP could be easily regenerated using a dilute NaCl aqueous solution and reused efficiently. Moreover, the disused aerogel could still be reused as a new adsorbent for effective adsorption of Cu2+ ion. Overall, this study suggested the promising applications of this composite aerogel as an eco-friendly, cost-effective, and recyclable adsorbent for the efficient removal of FQs from water.
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声明：本文为FESE期刊编辑部与青年编委会、作者等共同制作，内容仅供参考。欢迎转发和阅读原文，并就文章提出广泛讨论。如转载，请保持内容完整、标注信息来源。
期刊简介
Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划重点期刊。
共同主编：曲久辉院士，John Crittenden院士
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