Adsorption Performance and Mechanism of Norfloxacin by Fe-Mn Modified Rice Straw Biochar

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0372

Abstract

Abstract:

With the increasingly prominent problem of antibiotic residues in water， it is of great significance to develop low-cost， efficient and environmentally friendly adsorption materials for the pollution control of antibiotics such as norfloxacin （NOR）. Biochar was prepared from rice straw， and modified by iron and manganese to adsorb and remove NOR in water. The structure and surface properties of biochar before and after modification were analyzed by FT-IR， XRD， SEM and BET. The adsorption kinetics， thermodynamic properties and adsorption mechanism of NOR on different materials were systematically investigated. The kinetic adsorption test was carried out at 298 K and pH=5.2±0.1， and the isothermal adsorption test was carried out at 298， 308， 318 K and pH=5.2±0.1. The results show that iron-manganese modified biochar （FMBC） introduces more metal active sites， exhibits a high specific surface area （222.23 m²/g） and develops mesoporous structure dominated by 2 nm to 10 nm， which is conducive to the chemisorption of NOR. The NOR equilibrium adsorption capacity of FMBC is the largest at 318 K condition， which is 69.44 mg/g. The adsorption mechanism of NOR on FMBC mainly involves many physical and chemical mechanisms such as pore filling， hydrogen bonding， π-π electron donor-acceptor interaction and so on.

Key words: biochar, norfloxacin, Fe-Mn modification, rice straw, adsorption

CLC Number:

O647.3

CUI Yaning, QU Shu, WANG Weiqi, LIANG Chunyang, OU Xiaoxia. Adsorption Performance and Mechanism of Norfloxacin by Fe-Mn Modified Rice Straw Biochar[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(9): 3245-3256.

Figures/Tables 14

Fig.1 FT-IR spectra of BC， FBC， MBC and FMBC

Fig.2 XRD patterns of BC， FBC， MBC and FMBC

Fig.3 SEM images of BC， FBC， MBC and FMBC at different magnification levels

Fig.4 Nitrogen adsorption-desorption isotherms and pore size distribution curves of FBC， MBC and FMBC

Table 1 Structural characteristics of FBC， MBC and FMBC

Biochar	BET surface area/（m²·g^-1）	Total pore volume/（cm³·g^-1）	Micropore volume/（cm³·g^-1）	BJH adsorption average pore diameter/nm
FBC	33.48	0.069	0.001 373	17.83
MBC	1.49	0.007	0.001 401	39.95
FMBC	222.23	0.168	0.015 554	4.06

Fig.5 Adsorption kinetic fitting curves of BC， FBC， MBC and FMBC for NOR

Table 2 Adsorption kinetic model parameters of BC， FBC， MBC and FMBC for NOR

Biochar	Pseudo-first-order kinetics			Pseudo-second-order kinetics
Biochar	Q_e1/（mg·g^-1）	k₁/min^-1	R $12$	Q_e2/（mg·g^-1）	k₂/min^-1	R $22$
BC	8.61	0.030	0.924	20.00	0.019	1.000
FBC	16.58	0.031	0.941	18.18	0.006	0.998
MBC	16.74	0.022	0.869	19.61	0.005	0.997
FMBC	7.21	0.026	0.943	20.41	0.025	1.000

Table 2 Adsorption kinetic model parameters of BC， FBC， MBC and FMBC for NOR

Biochar	Pseudo-first-order kinetics			Pseudo-second-order kinetics
Biochar	Q_e1/（mg·g^-1）	k₁/min^-1	R $12$	Q_e2/（mg·g^-1）	k₂/min^-1	R $22$
BC	8.61	0.030	0.924	20.00	0.019	1.000
FBC	16.58	0.031	0.941	18.18	0.006	0.998
MBC	16.74	0.022	0.869	19.61	0.005	0.997
FMBC	7.21	0.026	0.943	20.41	0.025	1.000

Fig.6 Fit curves of particle internal diffusion of BC， FBC， MBC and FMBC for NOR

Table 3 Particle internal diffusion model parameters

Biochar	k_3（1）/ （mg·g^-1·min^-1/2）	C_1（1）	R $12$	k_3（2）/ （mg·g^-1·min^-1/2）	C_1（2）	R $22$	k_3（3）/ （mg·g^-1·min^-1/2）	C_1（3）	R $32$
BC	1.877	7.620	0.978	0.365	16.008	0.823	0.010	19.747	0.755
FBC	1.826	1.676	0.963	0.046	16.831	0.892
MBC	1.349	4.296	0.986	0.225	15.209	0.996
FMBC	2.514	9.519	0.988	0.438	15.919	0.972	0.049	19.459	0.825

Table 3 Particle internal diffusion model parameters

Biochar	k_3（1）/ （mg·g^-1·min^-1/2）	C_1（1）	R $12$	k_3（2）/ （mg·g^-1·min^-1/2）	C_1（2）	R $22$	k_3（3）/ （mg·g^-1·min^-1/2）	C_1（3）	R $32$
BC	1.877	7.620	0.978	0.365	16.008	0.823	0.010	19.747	0.755
FBC	1.826	1.676	0.963	0.046	16.831	0.892
MBC	1.349	4.296	0.986	0.225	15.209	0.996
FMBC	2.514	9.519	0.988	0.438	15.919	0.972	0.049	19.459	0.825

Fig.7 Adsorption isotherms of BC， FBC， MBC and FMBC for NOR

Table 4 Isothermal adsorption model fitting parameters for NOR adsorption by different types of biochar

Biochar	T/K	Langmuir			Freundlich
Biochar	T/K	Q_m/（mg·g^-1）	K_L/（L·mg^-1）	R²	1/n₁	K_F/［mg·g^-1·（L·mg^-1）^1/ⁿ $1$ ］	R²
BC	298	40.65	0.875	0.986	2.949	0.328	0.838
	308	47.85	0.704	0.981	3.003	0.394	0.911
	318	59.88	0.923	0.928	3.123	0.558	0.950
FBC	298	32.79	0.625	0.997	2.666	0.310	0.951
	308	32.79	0.774	0.995	2.747	0.293	0.974
	318	50.00	0.509	0.956	2.893	0.396	0.967
MBC	298	37.31	0.276	0.995	2.376	0.114	0.628
	308	36.63	0.333	0.991	2.376	0.435	0.960
	318	54.35	0.276	0.914	2.666	0.466	0.958
FMBC	298	51.55	0.829	0.990	3.220	0.307	0.940
	308	48.08	1.748	0.996	3.314	0.306	0.922
	318	69.44	0.758	0.947	3.417	0.411	0.984

Table 4 Isothermal adsorption model fitting parameters for NOR adsorption by different types of biochar

Biochar	T/K	Langmuir			Freundlich
Biochar	T/K	Q_m/（mg·g^-1）	K_L/（L·mg^-1）	R²	1/n₁	K_F/［mg·g^-1·（L·mg^-1）^1/ⁿ $1$ ］	R²
BC	298	40.65	0.875	0.986	2.949	0.328	0.838
	308	47.85	0.704	0.981	3.003	0.394	0.911
	318	59.88	0.923	0.928	3.123	0.558	0.950
FBC	298	32.79	0.625	0.997	2.666	0.310	0.951
	308	32.79	0.774	0.995	2.747	0.293	0.974
	318	50.00	0.509	0.956	2.893	0.396	0.967
MBC	298	37.31	0.276	0.995	2.376	0.114	0.628
	308	36.63	0.333	0.991	2.376	0.435	0.960
	318	54.35	0.276	0.914	2.666	0.466	0.958
FMBC	298	51.55	0.829	0.990	3.220	0.307	0.940
	308	48.08	1.748	0.996	3.314	0.306	0.922
	318	69.44	0.758	0.947	3.417	0.411	0.984

Table 5 Thermodynamic parameters for NOR adsorption by different types of biochar

Biochar	T/K	ΔG/（kJ·mol^-1）	ΔH/（kJ·mol^-1）	ΔS/（J·mol^-1·K^-1）
BC	298	-7.76	18.09	81.05
	308	-6.76
	318	-6.13
FBC	298	-6.49	21.41	87.31
	308	-5.26
	318	-4.73
MBC	298	-5.56	43.38	153.92
	308	-4.11
	318	-2.48
FMBC	298	-8.97	16.13	78.85
	308	-8.14
	318	-7.39

Fig.8 Adsorption capacity and removal rate for NOR by FMBC under different dosage amount

Fig.9 Cycling test of NOR absorbed by FMBC

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