【摘 要】
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抗生素的不完全代谢和生物积蓄对生态系统功能和人类健康的潜在危害令人十分担忧。四环素(TC)已在世界各地的水环境中广泛检测到。吸附法是缓解水体TC污染最有效的策略之一。高性能吸附材料的合理设计是至关重要的,特别是通过简便策略制备具有丰富孔结构、高活性位点分布和易调节官能团的吸附剂。吸附策略的再生步骤常采用碱性洗脱法,污染物仅从材料表面脱附但是并未彻底去除。以结构稳定的滤纸为碳前驱体的吸附剂、通过自蔓
【基金项目】
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中国自然科学基金 [NSFC,No.21667025F]; 石河子大学化学化工学院“双一流”科技项目[SHYL-ZD201904];
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抗生素的不完全代谢和生物积蓄对生态系统功能和人类健康的潜在危害令人十分担忧。四环素(TC)已在世界各地的水环境中广泛检测到。吸附法是缓解水体TC污染最有效的策略之一。高性能吸附材料的合理设计是至关重要的,特别是通过简便策略制备具有丰富孔结构、高活性位点分布和易调节官能团的吸附剂。吸附策略的再生步骤常采用碱性洗脱法,污染物仅从材料表面脱附但是并未彻底去除。以结构稳定的滤纸为碳前驱体的吸附剂、通过自蔓延燃烧法制备的吸附剂和采用降解方法再生材料的策略均未见报道。因此,本论文展开了以下的研究:以滤纸为碳前驱体通过简单的煅烧成功制备三维铜铝双功能纤维复合材料(3D-Cu/Al-FC),用于水体中TC的去除。通过一系列表征和批量吸附实验分析了吸附性能。结果表明,吸附数据可以用准二级动力学和Langmuir等温模型更好的描述,最大吸附量为2391.78 mg/g。材料对TC的去除率是98.7%,对诺氟沙星(NOR),磺胺甲恶唑(SMX),环丙沙星(CIP)的吸附移除率仅为5.8%,2.1%,1.8%。3D-Cu/Al-FC对各种共存离子和腐殖酸有良好的抗干扰能力。材料再生采用降解法,TC有效的分解为CO2和H2O,且5次循环后依旧保持高效的TC移除率(89.12%)。静电相互作用、络合和氢键是主要的吸附机理。通过该部分的研究工作,证实了铝掺杂的碳基材料在吸附领域的潜力和吸附再生与降解结合策略的良好前景。以滤纸为碳前驱体通过简单的煅烧成功制备新型三维多孔Co2C掺杂Co Al2O4纤维复合材料(3D-CA-FC),用于水体中TC的去除。通过一系列表征和批量吸附实验分析了吸附与降解性能。TC的吸附过程可以用准二级动力学和Langmuir等温模型描述,理论最大吸附量为1889.63 mg/g。3D-CA-FC在腐植酸、CO32-存在以及弱碱性环境下,对TC的吸附能力进一步提升。在最适宜的条件下,1 h内降解率达到100%。0-10 mg/L的浓度范围内共存离子和腐殖酸对降解过程影响甚微。孔隙填充、氢键和络合是主要的吸附机理。~1O2是降解过程的主要活性物质,SO4·-和·OH在降解过程中也发挥了作用。该部分研究工作为构建新型的双功能材料通过吸附与降解相结合去除有机污染物提供了一些启示。以滤纸为碳前驱体通过简单的煅烧成功制备了坚固的多孔Zn/Al层状双氢氧化物掺杂尖晶石材料(Zn/Al-LS),用于水体中TC的去除。批量吸附实验表明,Zn/Al-LS具有出色的吸附性能,是原始滤纸的2.4倍。在p H为6.5和8.0的溶液体系中,吸附数据均可以用准二级动力学和Langmuir模型描述,最大吸附量分别为1995.66 mg/g和2404.04 mg/g。Zn/Al-LS对各种共存离子和腐殖酸有良好的抗干扰能力。采用降解法分解吸附在材料上的TC,实现了良好的再生效果。静电相互作用、孔隙填充以及络合是主要的吸附机理。TC溶于水无色,白色Zn/Al-LS吸附TC逐步转变亮黄色,利用颜色变化可以直观判断TC的吸附程度,为吸附过程以及降解再生过程的可视化提供了可能性。采用自蔓延燃烧技术制备了一系列的锌/铝N掺杂的碳纳米复合材料(Zn/Al-NCs),用于水体中TC的去除。根据一系列详细的表征结果,发现90 oC、130 oC、180 oC合成的材料形貌分别为蜂窝状结构、花瓣状分层结构、丰富的中孔和大孔的气泡结构。吸附实验结果表明,准二级动力学和Langmuir模型很好地描述了吸附数据,证明吸附过程为单分子层的化学吸附。所有Zn/Al-NCs均表现出对TC的优异吸附性能(>336 mg/g),且对各种共存离子和腐殖酸有良好的抗干扰能力。吸附机理为孔隙填充、静电相互作用、络合和氢键。该部分研究工作为探索节能、环保、省时的合成方法制备高效材料去除水体污染物提供了新思路。
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