好氧颗粒污泥基生物炭吸附四环素效能研究

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因长期的不合理使用,导致在我国水环境中检测到多种不同的抗生素。即使在低浓度下,抗生素也会对环境和人类健康构成重大风险,并潜在地对各种生态系统产生长期的不利影响。作为使用最广泛的抗生素之一,四环素(Tetracycline,TC)在水体中的高效去除已经成为人们关注的热点。针对传统吸附剂去除TC存在效率低、成本高等问题,本文提出以含碳量高、表面积大的好氧颗粒污泥为基质制备生物炭,研究了原始生物炭(BC)吸附TC的影响因素,分析了BC去除TC的动力学、等温线及扩散模型;针对BC吸附TC能力有限的问题,制备出了改性效果最好的生物炭(Zn-BC),在对其进行表征的基础上,研究了Zn-BC吸附TC的影响因素、再生能力以及吸附动力学、热力学、等温线和扩散模型,分析了Zn-BC对TC的吸附机理,以期为探索低成本高效吸附剂提供参考,并为抗生素等有机物的去除提供借鉴。好氧颗粒污泥制备的BC吸附TC的能力与炭化温度及时间有关,而受污泥自身粒径影响不大。在炭化温度及时间分别为700℃、2 h时,BC对TC的吸附在24 h达到最大(16.59 mg/g)。BC含有微孔、中孔及大孔,且表面主要含羟基(-OH)、羰基(C=O)及碳碳双键(C=C)等官能团。BC吸附TC的能力受BC添加量、溶液p H值、初始TC浓度、吸附反应时间以及盐离子浓度影响。随着TC浓度和BC添加量的增加,BC对TC的吸附能力逐渐增加,当二者分别为20 mg/L和0.015 g时,TC吸附能力逐渐趋于平稳;溶液p H值影响吸附效能,当TC溶液的p H值为7.0时,BC对TC的吸附效果达到最佳;添加低浓度盐(0.05 mol/L Na Cl与0.025mol/L Ca Cl2)对TC的吸附有明显的促进作用,而添加高浓度盐则抑制吸附过程。动力学及等温线实验结果表明,伪二阶动力学模型与Langmuir等温模型更好地描述BC对TC的吸附;扩散实验结果表明,内扩散和液膜扩散同为整个反应的控速步骤。改性剂种类(CH3COOH、H3PO4、Na OH、KOH、Na2CO3、Fe Cl3和Zn Cl2)及用量对吸附效能影响较大。不同物质改性结果表明,Zn Cl2溶液改性的吸附剂(Zn-BC)具有较大的比表面积(852.41 m2/g)和大量微孔,有利于离子交换和扩散,同时结晶度较高、性质稳定。碳碳双键、羟基及羰基参与吸附过程。吸附TC后,Zn-BC表面的孔结构消失,呈褶皱结构。Zn-BC具有较大的p H适用范围、高效的TC吸附能力,且可重复利用性能较好。当p H值在4-9的范围内时,Zn-BC均具有较好的吸附TC的能力,其中最佳p H值为5.0。随着初始TC浓度和吸附时间增加,吸附量逐渐升高,当二者分别为80 mg/L及48 h时,吸附量达到93.44 mg/g。伪二阶动力学模型与Langmuir等温线模型更适用于描述Zn-BC对TC的吸附;扩散模型拟合结果表明,液膜扩散与内扩散共同控制反应速率;热力学实验结果表明,Zn-BC对TC的吸附是自发的吸热反应。Zn-BC吸附TC的过程主要由孔隙填充和π-π作用控制,此外,静电作用和氢键也起了部分作用。再生实验结果表明,采用Na OH溶液和乙醇对Zn-BC进行三次循环再生后,Zn-BC对TC的吸附效果仍能达到最初吸附能力的90-95%。
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