铁基复合材料的制备及其对水体中典型药物污染物的去除性能研究

来源 :兰州大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:zfzhy
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随着医疗卫生事业不断进步,各种药物的生产和使用日益广泛。由于难降解性和生物累积性,多种药物在水体环境中频频检出,其浓度水平持续升高,给水生态环境和人类健康造成了潜在危害。在众多的水处理方法中,吸附法因具有成本低廉、操作简单的优点而被广泛关注。同时,具有高氧化活性和环境适应性的过硫酸盐高级氧化技术,近年来也被大量研究。过渡金属元素铁来源广泛,对环境的影响相对较小,作为吸附剂或催化剂一直是研究人员的关注热点。本研究针对水体药物污染问题,为提高铁及其复合物的吸附性能及过硫酸盐催化活化性能,合成了三种铁基复合材料。通过一系列表征手段及影响因素实验,探究了复合材料对典型药物氟喹诺酮类抗生素FQs(诺氟沙星NOR、氧氟沙星OFL)、四环素类抗生素TCs(四环素TC)和抗癫痫药(卡马西平CBZ)的去除性能和机理。同时,设计连续流高级氧化装置,并将其应用于水体中TC的去除,为药物污染水体治理提供新技术和新思路。主要研究内容及结果如下:(1)采用液相还原法制备了纳米零价铁(NZVI)和沸石负载聚乙二醇(PEG-4000)改性纳米零价铁复合材料(PZ-NZVI)。表征结果表明,PZ-NZVI具有介孔结构和磁性,在磁场作用下能从溶液中快速分离。对溶液中NOR和OFL的吸附实验研究表明,相比于NZVI和沸石,PZ-NZVI对两种FQs的去除效率更高,最大吸附容量分别为54.67 mg g-1(NOR)和48.88 mg g-1(OFL)。吸附过程符合准二级动力学和Temkin吸附等温线模型,为自发放热反应过程。影响因素实验表明,PZ-NZVI具有较宽的pH适应范围(410),但在高离子强度下,吸附受到抑制。重复使用三次后,PZ-NZVI对两种FQs的去除率仍在50%以上。表面络合(形成双齿络合物)、疏水作用、孔隙填充为主要的吸附机制。在黄河水和污水处理厂二级出水中,PZ-NZVI对NOR、OFL的吸附作用受到较大的抑制。(2)以玉米芯生物质和天然黄铁矿为原料,在不同煅烧温度下制备了玉米芯生物炭(BC600)和黄铁矿改性生物炭(PBC200、PBC400和PBC600)。表征分析及实验结果表明,PBC600有较大的石墨化和缺陷程度,且具有磁性,能通过磁铁从水溶液中分离。相比之下,PBC600具有更高的PMS活化能力,最佳条件下,2 h内PBC600/PMS体系对CBZ的去除率可达到92.66%,TOC去除率约为40%。PBC600/PMS体系降解CBZ过程的pH适应范围较宽(39),几乎不受SO42-和NO3-影响,但高浓度的HCO3-和H2PO4-对降解效果影响较大。PBC600经三次循环后,仍能较好的活化PMS,实现87.14%的CBZ去除率。体系中产生的活性物质HO·、SO4·-1O2等参与了CBZ的降解过程。在自来水和黄河水中,PBC600/PMS体系对CBZ的去除效果变化不大,但在成分复杂的污水中,CBZ去除效果受到较大影响。(3)将零价铁与玉米秸秆生物炭包覆于壳聚糖凝胶中,合成了磁性铁炭凝胶小球(Fe-BC@CS)。利用连续流Fe-BC@CS填充柱活化PS对罗丹明B进行高级氧化去除,得到最佳运行参数为:小球填充量为5.000 g,PS浓度为2 mM,进水流量为5.1 mL min-1。在最佳运行条件下,Fe-BC@CS小球经三次连续循环使用后,对TC的去除率仍可达到74.20%,说明Fe-BC@CS小球有良好的循环利用性能,具有Fe缓释作用。在超纯水、黄河水和污水处理厂二级出水中,连续流Fe-BC@CS填充柱活化PS对TC的去除率分别为87.77%、85.53%和80.25%,表明该装置在实际水中去除TC受到的影响较小,有一定的实际应用潜力。Fe-BC@CS小球/PS体系中主要产生了HO·、SO4·-1O2等活性物质参与了TC的降解过程。
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