利用葡萄糖制备类石墨烯碳材料高效吸附磺胺甲噁唑和苯酚

清除微量污染物为何重要

许多在日常生活中有用的药物和工业化学品在未被处理厂完全去除时，会悄然损害河流、湖泊乃至饮用水。本文聚焦两种此类问题物——一种名为磺胺甲噁唑的抗生素和一种基础化学物苯酚——并展示了一种由简单糖（葡萄糖）制备的新型低成本碳材料如何以显著效率将这些污染物从水中去除。

日常化学物在水中残留

磺胺甲噁唑是常用的抗生素，用于治疗人和动物的感染。由于人体不能完全分解它，大量以原形经排泄物进入废水。污水处理厂通常并非专门设计以去除此类药物，因此它们可能进入河流、地下水甚至饮用水。长期低剂量但持续的暴露可能助长有害细菌对抗生素产生耐药性。苯酚广泛应用于塑料、树脂和石油加工等行业，已知具有毒性并可能致癌。即使在非常低的浓度下，苯酚也会损害水生生物并对人体健康构成风险，因此监管机构对其在饮用水中的含量有严格限制。

由糖制成的海绵状碳

研究人员制备了一种称为类石墨烯碳（GLC-900）的材料，起始原料为普通葡萄糖。他们将葡萄糖与两种助剂共同加热：一种用于在碳中刻蚀出孔隙，另一种促使碳形成薄层、类石墨结构。在无氧环境下加热到900 °C，然后洗去金属，得到一种黑色、泡沫状的固体，内部充满微小且互联的孔道。精确测量表明，该材料具有极大的比表面积——约935平方米每克，相当于几块篮球场的面积压缩到一茶匙粉末中。薄层结构与丰富孔隙的结合使GLC-900像一个强力海绵一样吸附溶解的污染物。

新型碳材料的净水效果

为评估GLC-900的有效性，研究组在现实污染水平下将少量材料加入含有磺胺甲噁唑或苯酚的水中。约一小时内，两种化学品的浓度显著下降，表明污染物已被碳表面捕获。当研究者提高起始浓度时，该材料仍维持良好性能。描述分子在表面吸附的数学模型表明，碳表面形成均匀的单分子层吸附，直到位点被占满，其最大吸附量非常高：每克吸附剂约能吸附289毫克磺胺甲噁唑和232毫克苯酚。这些数值通常优于许多商业活性炭和生物炭，意味着净化同样体积的水所需材料更少。

显微层面的作用机制

显微图像和表面分析帮助解释了GLC-900为何高效。材料由起皱且互联的薄片组成，形成易于水和污染物进入的三维孔隙迷宫。化学测试表明，污染物主要通过温和且可逆的作用力被吸附——类似于水附着在玻璃表面而非形成新化合物。这些作用包括污染物与碳上含氧基团之间的氢键、其环状结构与平坦碳层之间的“堆叠”相互作用，以及疏水效应（油性分子离开水相并粘附到较不亲水的表面）。该过程在能量上是有利的，并且在略高温度下表现更好，这与此类物理吸附的特性一致。

现实条件下的表现与再生

研究组还考察了材料在更实际条件下的行为。以腐殖酸代表的自然有机物（会使部分地表水呈棕色）会与目标污染物竞争碳表面位点并降低性能，这也是大多数吸附剂面临的挑战。另一方面，常见的溶解盐对其影响较小。当用乙醇洗涤已用过的碳时，它可以在数个循环中重复使用，并在初期循环仍去除超过90%的污染物。作者估算，用糖制备这种碳的每公斤成本将低于许多高档活性炭，同时避免了基于石油的原料和有害副产物的产生。

对更安全水源的意义

简而言之，这项工作表明，一种廉价的糖基海绵状碳能够快速且强效地从水中捕获抗生素和工业化学物。由于其高效、可再生且制备成本相对较低，GLC-900有望成为在污水进入河流和饮用水源前处理医院、农场和工厂废水的实用工具。尽管仍需在连续流系统和多种污染物混合条件下做更多测试，该研究指向了一个前景：将日常材料如糖转化为强效过滤介质，从而帮助保持水质更清洁、生态系统更健康。

引用: Lingamdinne, L.P., Angaru, G.K.R., Shrestha, B. et al. High-performance adsorption of sulfamethoxazole and phenol using graphene-like carbon derived from glucose. Sci Rep 16, 7794 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39165-4

关键词: 水净化, 抗生素污染, 苯酚去除, 类石墨烯碳, 废水处理