由于抗生素的生态和健康风险，其滥用已成为全球性挑战[1]。四环素（TC）和环丙沙星（CIP）作为广谱抗生素，在水环境中普遍存在，这归因于它们的高水溶性和持久性。它们的普遍存在威胁着水生生态系统，并通过食物网促进了抗生素抗性基因的传播[2]、[3]。传统的处理技术（如电催化和膜过滤）受高能耗或二次污染的制约，而吸附技术因其高效性和经济性成为研究热点[4]。磁性生物炭（MBC）结合了生物炭的高吸附能力和磁性组分（如零价铁 Fe3O4）的易分离性，展现出独特的工程潜力[5]。利用农业废弃物（如稻草、稻壳）生产 MBC 是可持续的，有助于减少农业残留物的积累。MBC 表面含有多种官能团（羟基、羧基和酚基），这些官能团赋予其化学反应性和表面电荷，从而通过与污染物的化学相互作用或静电吸引实现污染物去除或转化[6]。嵌入 MBC 的零价铁可以改变生物炭表面的电子云分布，增强其对有机污染物的亲和力[7]。此外，Fe0 的掺杂可能促进微孔和介孔的形成，扩大比表面积（SSA），为有机污染物提供更多吸附位点[8]、[9]。然而，传统的 Fe0 掺杂 MBC 制备方法相对复杂，需要使用还原剂来进一步还原氧化铁，这不可避免地增加了成本并限制了其广泛应用。
与高温热解后还原的传统方法相比，碳热还原是一种制备纳米级零价铁（nZVI）掺杂生物炭的通用且高效的方法，操作简单，原则上不需要额外的还原剂[7]、[10]。在碳热还原过程中，磁性相的组成和铁盐的性质紧密相关。研究表明，使用高价铁前驱体（如 K2FeO4）与生物质共热解可产生含有更高比例零价铁的磁性材料[11]。在高温缺氧条件下，生物质热解产生的还原物种（如元素碳、H2、CO 和挥发性有机化合物）可作为电子供体，逐步还原铁物种。K2FeO4 的氧化性强，为与生物质衍生的还原剂之间的氧化还原反应提供了更大的热力学驱动力，有助于在热解过程中实现深度还原至纳米级零价铁[12]。同时，K2FeO4 的还原释放大量能量，促进 Fe0 在生物炭表面的快速成核和纳米颗粒的形成[10]。生物炭的吸附能力取决于其孔隙结构及其丰富的表面化学性质（如羟基、羧基），这些性质有助于稳定纳米颗粒并抑制聚集。nZVI 表面的 Fe0 原子处于未配位状态，具有高反应性，为通过与抗生素的富电子基团（如 -COOH、-NH2、-OH）的配位键或共价作用提供丰富的电子供体位点[13]、[14]。尽管 nZVI 掺杂 MBC 对含抗生素水体的吸附能力有所增强，但在低污染物浓度下的去除效果仍有限，单一吸附机制可能不足以实现深度净化，因此需要合理的材料设计和工艺创新来提升整体性能。
为克服单一吸附机制的局限性，研究人员尝试将 MBC 与混凝技术结合，利用吸附富集和絮凝捕获的协同效应来提高抗生素去除效率。例如，将 MBC 与聚铝氯化物结合可以缩短反应时间并减少混凝剂用量[15]、[16]。然而，引入外源性混凝剂不仅增加了工艺复杂性，还可能导致二次污染和成本上升。因此，开发兼具吸附和自絮凝功能的集成 MBC 材料成为了一个有前景的方向。一方面，这种 MBC 的双重功能源于 Fe2+/Fe3+ 的逐步释放，需要较高的铁负载量以确保复合材料的可回收性[13]。另一方面，纳米级零价铁应均匀分散在碳基质孔隙中，形成碳包裹的铁核壳结构，从而减缓高活性 Fe0 的快速消耗。通过调节 MBC 的表面物理化学性质（如孔结构、铁物种形态），材料可以在吸附过程中缓慢释放 Fe2+/Fe3+，通过络合或静电作用促进污染物的絮凝沉淀[17]、[18]。这种策略实现了原位吸附-混凝协同效应，同时避免了外部添加剂的添加。然而，相关机制仍处于研究初期，特别是纳米级 Fe0 掺杂剂对协同效应的贡献尚不明确。
为解决这些问题，本研究使用稻草和 potassium ferrate 合成了高负载量的均匀掺杂 nZVI 的多孔磁性生物炭，并评估了其去除水中 TC 和 CIP 的性能。nZVI 掺杂 MBC 通过简单的一步碳热还原法制备，该方法在表面生成了大量含氧基团，用于固定 nZVI。potassium ferrate 的氧化蚀刻作用与 nZVI 的形成共同作用，形成了层次丰富的多孔碳基质。三维互连的开孔结构和高含量的 Fe0 使 MBC 具备了吸附和混凝双重功能。碳基质上的丰富表面官能团增强了对抗生素分子的吸附能力，而缓慢释放的铁物种可以与抗生素络合，促进絮凝沉淀。实验结果表明，吸附和混凝的协同作用显著提高了 TC 和 CIP 类抗生素的去除效果，尤其是 TC 的吸附能力。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线光电子能谱（XPS）分析揭示了抗生素在 MBC 上的吸附机制。通过整合吸附动力学和热力学，我们探讨了抗生素去除的吸附-混凝协同机制。总体而言，这种经济高效且易于制备的多功能磁性生物炭具有较大的规模化潜力，为开发高效吸附材料提供了新的思路。
