La3+@BC500活化过硫酸根去除磺胺类抗生素以及双氯芬酸

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近些年来,磺胺类抗生素(Sulfonamides,SAs)在人类和兽药中广泛使用,导致部分药物残留在地表水和土壤中无法根除,长期饮用和积累会对人体和生态系统产生负面影响。而双氯芬酸(Diclofenac,DCF)作为消炎药,也被人类大量的使用,在水环境中痕量存在。生物炭作为一种低成本的吸附剂,正在被广泛的应用于处理磺胺类抗生素以及双氯芬酸。本文通过较为简单的热解法将农林废弃物辣木籽壳转化为具有更高吸附性能的生物炭材料。通过对比研究不同热解温度下获得经过简单处理而得到的本体生物炭的BET以及相关吸附实验分析,找出最佳热解温度下获得的生物炭作为本体生物炭。通过对本体生物炭负载不同的金属离子制备改性生物炭,探究不同改性生物炭在添加过硫酸根的情况下对磺胺类抗生素中的磺胺嘧啶(Sulfadiazine,SDZ)和磺胺甲恶唑(Sulfamethoxazole,SMX)以及双氯芬酸的吸附性能。本文首先进行了350℃和500℃下热解获得的生物炭自身性能以及对污染物去除能力上多方面的比较,确定500℃下获得的生物炭为本体生物炭BC500。对本体生物炭通过相同的条件,负载等摩尔浓度的La3+、Al3+和Fe3+于本体生物炭上制成改性生物炭La3+@BC500、Al3+@BC500和Fe3+@BC500。通过本体生物炭与改性生物炭在有无过硫酸根(S2O82-)的条件下,对磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑的吸附实验进行对比筛选,在相同的环境中,La3+@BC500对磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑的去除效果都是最佳的,其中添加过硫酸根的环境中更有利于生物炭对磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑的去除。其次,针对La3+@BC500活化过硫酸根体系在吸附磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑上进行优化实验。对La3+的负载量以及过硫酸根的投加量进行正交实验,结合去除率、经济和速率等方面的考虑,确定最佳La3+负载量为0.05mol/g和0.2mol/g,最佳过硫酸根的投加量为0.02mol/L。通过对本体生物炭,改性生物炭以及两种负载不同含量的La3+的改性生物炭进行一系列的表征分析,通过XRD的分析,La3+@BC500表面有LaCO3OH生成,并且通过活化S2O82-激发SO4-·,大大提高了改性生物炭的氧化吸附能力。随后考察了La3+@BC500活化过硫酸根体系在吸附磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑的影响因素,其中对于磺胺嘧啶的氧化吸附符合伪二阶动力学方程,对于磺胺甲恶唑的氧化吸附符合伪一阶动力学方程。反应最佳浓度为10μg/m L,生物炭的投加量为4g/L,过硫酸根的投加量为0.02mol/L,考虑到对两种污染物的吸附,时间选择为120min,此时磺胺嘧啶的去除率为100%,而磺胺甲恶唑的去除率仅为55%左右。温度有利于污染物的去除,室温条件下就能达到预期效果,与磺胺嘧啶相比,磺胺甲恶唑更佳的依赖酸性环境,没有磺胺嘧啶适应的范围广,生物炭还具备一定的循环使用性能。最后,进一步探究La3+@BC500活化过硫酸根体系是否具备一定的优异性,将污染物磺胺类抗生素换成了双氯芬酸。通过对生物炭的投加量,双氯芬酸的初始浓度,过硫酸根的投加量,以及替换过硫酸根的过氧乙酸(Peroxyacetic acid,PAA)的投加量实验,选定Al3+@BC500与La3+@BC500进行对比实验。反应最佳浓度为100mg/m L,生物炭的投加量为4g/L,过硫酸根的投加量为0.02mol/L,吸附时间为60min,此时La3+@BC500和Al3+@BC500活化过硫酸根体系对双氯芬酸的去除率为95.78%和66.24%。温度越高,对于双氯芬酸的吸附效果越好,速率更快。La3+@BC500在不同酸碱性的环境中吸附性能更佳,而Al3+@BC500仅在酸性条件下较为突出。实验过程中发现Al3+@BC500活化过氧乙酸体系反而比Al3+@BC500活化过硫酸根体系性能更佳,去除率更高,两种生物炭在氧化吸附双氯芬酸的反应过程均符合一级动力学,依然具备着良好的循环使用性能。
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