荞麦皮生物炭对硝基咪唑类抗生素的吸附研究

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硝基咪唑类抗生素(Nitroimidazole antibiotics,NIAs)广泛用于人类和动物的厌氧菌感染及多种原虫疾病的防治。由于NIAs具有高水溶性、难生物降解,传统废水处理工艺很难去除,因此在水体环境中残留并不断累积,检出浓度最高可达ng/L水平。水体的NIAs即使在低浓度也会对人类健康造成潜在风险,如潜在的肾毒性、神经毒性和致癌作用等。因此,研究水体中NIAs的去除方法十分重要。本文以三种典型的NIAs—奥硝唑(Ornidazole,ONZ)、替硝唑(Tinidazole,TNZ)和甲硝唑(Metronidazole,MNZ)为目标污染物,制备荞麦皮生物炭(Buckwheat bran biochar,BBC),研究其对NIAs的吸附效果。论文内容主要包括:(1)BBC对ONZ具有明显的吸附性能,吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线模型,吸附速率受表面吸附和颗粒内扩散两个阶段控制,其中物理吸附占主导地位。热解温度800℃制得生物炭(BBC-800)的吸附性能最好,平衡吸附量高达16.19 mg/g。热力学结果表明,BBC吸附ONZ是自发进行的吸热反应。温度、BBC投加量和ONZ初始浓度对吸附有重要影响。最佳吸附条件为:25℃、BBC-800投加量0.6 g/L、ONZ初始浓度10 mg/L,吸附量16.19mg/g。(2)SEM、XRD、Raman、N2吸附/脱附、FTIR分析表明,热解温度在400-800℃范围,BBC的得炭率在24.5%-34%;BBC均具有一定的石墨化程度,表面含有-OH、-COOH、C=O和C=C官能团。热解温度升高,BBC表面更为粗糙、孔隙结构更加丰富,芳香性和稳定性增加(H/C由0.047降低至0.013),比表面积(16.51 m2/g增加到511.48 m2/g)和孔容(0.0248 cm3/g增加到0.2895cm3/g)增大,对ONZ的吸附性能提高,与BBC对ONZ的吸附实验结果一致。(3)BBC-800吸附NIAs(ONZ、TNZ和MNZ)的影响因素研究表明:初始pH在3.02-11.03范围对吸附影响不大;共存离子(Na+、NH4+、CO32-、HCO3-和SO42-)影响较小;腐殖酸(HA)抑制吸附效果,HA浓度由0 g/L增加至5.0 g/L,NIAs 的吸附率由 97.15%、97.25%和 99.90%下降至 35.48%、61.42%和65.34%。BBC-800对实际水体(二沉池出水(SW)和湖水(LW))中的NIAs也能有效去除。FTIR、N2吸附/脱附和XPS分析结果表明,BBC-800对NIAs的吸附主要包括孔隙扩散,生物炭表面与NIAs分子间产生的氢键、π-π和p-π共轭作用。吸附-解吸循环实验表明,BBC-800具有较好的再生性能。
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