氮化硼基薄层纳米材料的高效球磨制备及其吸附抗生素性能研究

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随着世界医药化工行业的迅猛发展,制药废水的处理和排放问题日益引起社会广泛关注。传统水处理技术难以有效去除制药废水中抗生素,导致全球地表水和饮用水等各类水体中抗生素残留量逐年增加。残留抗生素在生态系统中的蓄积严重危害微生态平衡和人类健康,微生物耐药现象日趋严重。针对制药废水中抗生素的有效治理,吸附法由于工艺简单、成本低、无二次污染和可行性强等优点,被认为是最具有应用前景的技术之一。近年来高效吸附剂的研发已成为一项研究热点。本文采用绿色机械球磨技术高效合成了系列氮化硼(BN)基薄层纳米材料,并将其用于制药废水中典型抗生素的吸附分离研究。采用XRD、FTIR、XPS、TEM、BET等表征分析材料的理化性质,通过吸附条件优化、吸附动力学和等温线性质研究等,研究了结构-性能之间内在关系,探究了吸附机理,并考察了系列BN基薄层纳米材料的再生循环性能。1.建立了一种低成本、绿色、简单、快速的一步球磨工艺制备少层类石墨烯型BN纳米吸附材料(BM-BN)的新方法。利用球磨的物理机械作用力实现商品级块状BN的高效剥离。最佳球磨条件下所制得的类石墨烯型BM-BN平均约3层,比表面积和孔体积分别增加至商品BN的3.5倍和3倍,对土霉素(OTC)的去除率显著提高了66%。疏水作用、π-π作用和静电作用为吸附过程主要作用力。2.原位引入不同摩尔比的金属铁源,建立了球磨一步高效制备铁掺杂少层类石墨烯型BN纳米吸附材料(Fe-BN)的新方法。借助球磨的物理机械作用力同时实现了商品级块状BN的高效剥离和Fe基活性金属中心的高效掺杂。筛选不同Fe摩尔含量的系列Fe-BN吸附剂,Fe(5%)-BN对抗生素的吸附去除效率最佳,相较于商品级BN,Fe(5%)-BN对OTC的去除率提升了85%。材料表征分析结果显示,Fe金属活性中心高度分散掺杂于BN结构中,且以Fe2O3的形式存在。在π-π、疏水和静电相互作用的基础上,阳离子桥作用力对Fe(5%)-BN吸附性能的提升发挥了关键作用。3.原位引入不同摩尔比的金属铜源,建立了球磨一步高效制备铜掺杂少层类石墨烯型BN纳米吸附材料(Cu-BN)的新方法。借助球磨过程的高速撞击和剪切作用力,在高效剥离商品级块状BN的同时将Cu基活性金属中心高度分散并掺入BN中,制备了系列不同Cu摩尔含量的Cu-BN纳米材料。结构表征结果显示,材料中的活性金属主要以二价的Cu(Ⅱ)形式存在,推测为CuO纳米粒子。相较于商品级BN,Cu(5%)-BN对抗生素的吸附效果显著提升,OTC去除率提升了87%。此外,与Fe(5%)-BN相比,其吸附速率明显加快。吸附机制可能为π-π相互作用、阳离子桥作用和静电相互作用。
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