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Turning Waste into Treasure: A Magnetic Sludge-Based Biochar for Efficient Co-Removal of Tetracycline and Cu 2+

吸附 生物炭 化学 化学工程 废水 水溶液 三元运算 吉布斯自由能 无机化学 双功能 氧化物 朗缪尔吸附模型 污水处理 纳米颗粒 石墨烯 朗缪尔 比表面积 离子交换 密度泛函理论 复合数 单层 水处理 活性炭 资源回收 离子 氧化铁 碳纤维 反应性(心理学) 表面改性 水溶液中的金属离子 四环素 氧化还原 零价铁
作者
Leyao Shi,Jiexiong Zhong,Miao Wu,Qun Liu,Yang Liu,Xiaohui Xu,Weixue Wang,Xiaohui Guan,Min Lü
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:41 (48): 32994-33008 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.5c05131
摘要

The treatment and disposal of excess sludge, a major solid byproduct of wastewater treatment processes, pose significant environmental and public health challenges, making its rational utilization crucial for promoting resource recycling. This study presents a one-step synthesis of a magnetically responsive bifunctional biochar composite (Fe-SDB600) derived from excess sludge for the simultaneous and enhanced removal of tetracycline (TC) and copper ions (Cu2+) from aqueous solutions. Characterization confirmed the successful loading of nanoscale iron oxide particles onto the biochar surface, resulting in a hierarchical porous structure. Under optimized conditions, Fe-SDB600 exhibited significantly improved adsorption capacities for TC (269.39 mg/g) and Cu2+ (271.65 mg/g) compared to the pristine biochar. The composite demonstrated excellent resistance to interference from common coexisting ions and maintained a high TC removal efficiency of 83.28% after four adsorption–desorption cycles, with minimal iron leaching. Adsorption kinetics were best described by the pseudo-second-order model, and isotherm data fitted the Langmuir model, indicating a chemisorption-dominated process. Density functional theory (DFT) calculations provided atomic-level mechanistic validation, confirming the spontaneous coordination of Cu2+ to surface Fe–OH sites with a high binding energy of −2.05 eV and identifying the A-ring of TC as the dominant moiety for π–π electron donor–acceptor interactions with an adsorption energy of −1.85 eV. Furthermore, in the binary system, a metal-bridging effect was identified, where preadsorbed Cu2+ enhanced TC uptake by forming ternary complexes. This work provides a sustainable and efficient strategy for sludge valorization and the coremoval of organic and inorganic pollutants, highlighting the potential of sludge-derived adsorbents in practical wastewater treatment.
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