水稳定性MOFs对四环素和诺氟沙星的吸附及其机理研究

来源 :安徽农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dada_2003
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随着社会的高速发展,抗生素的大量使用以及滥用的情况已经越来越普遍。自然水体环境中常检测到超过安全浓度范围的抗生素存在,由于抗生素不易被完全吸收且在水中具有难降解的性质,会导致水体中抗生素的不断积累。抗生素通过食物链进入人体后会对肾脏、造血系统造成损伤,甚至产生致癌、致畸等效应,威胁人类生命健康安全。吸附法因其成本低廉、高效稳定、无毒无害副产物等优点而被广泛应用。金属有机框架(MOFs)因其具有高比表面积、可控多孔结构和易于改性等优点而常被用于环境修复领域,但多数MOFs的应用因其在水或其他复杂环境中的稳定性而受到限制。因此,寻找一个高效稳定、环境友好的MOFs用于去除水环境中抗生素显得尤为重要。本文分别以Fe和Zn为金属中心,合成了水稳定性MOFs(Fe-BTC和ZIF-8)。同时,为提高ZIF-8纳米颗粒在在水相中的分散性,引入了少量磷酸化改性的水稻秸秆生物炭(PC),将ZIF-8纳米颗粒负载于秸秆炭的表面,得到复合材料PC@ZIF-8。进而实现Fe-BTC对水中四环素(TC)和诺氟沙星(Nor)的同时吸附及其机理研究,以及PC@ZIF-8对水中TC的吸附及其机制分析。具体研究内容如下:(1)Fe-BTC的制备及其对TC和Nor共同吸附性能的研究本文在室温下制备了Fe-BTC,并考察了一元和二元体系下对TC和Nor的去除效果。实验研究了体系p H、吸附剂添加量、接触时间、初始TC和Nor浓度、初始温度、离子强度、共存离子以及不同水质条件对Fe-BTC吸附性能的影响。吸附实验表明,一元污染体系下Fe-BTC吸附TC和Nor的最佳p H值均为7.0,最佳吸附剂添加量为0.2 g/L,饱和吸附量分别为714.3 mg/g和344.8 mg/g,优于大多数MOFs吸附剂。Fe-BTC吸附TC和Nor是一个自发的、吸热的过程,均符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线。二元污染物体系下Nor的浓度从0增加到40 mg/L时,TC的饱和吸附量由714.3 mg/g下降到582.5 mg/g,吸附平衡时间由5 h延长至12 h。而TC浓度的增加对Nor的吸附影响并不显著。水中Ca Cl2浓度大于0.1 mol/L时,Fe-BTC对TC和Nor的吸附受到了显著的抑制作用,CO32-和PO43-的加入也会显著抑制TC和Nor的吸附。多种不同模拟水质中Fe-BTC对TC和Nor均能保持较高的吸附率,在南淝河水样中Fe-BTC对TC和Nor的吸附率仍然达到了96.4%和90.2%。傅里叶红外(FT-IR)表征结果表明吸附过程存在π-π作用;X射线光电子能谱分析(XPS)表明TC的羟基和氨基以及Nor的羧基通过配位键与Fe结合形成金属配合物。循环利用实验表明Fe-BTC在经过5次再生循环后对TC和Nor仍能保持81.1%和74.4%的吸附率,表现出良好的重复利用性。(2)复合材料PC@ZIF-8对TC的吸附性能的研究通过原位生长法将ZIF-8负载于磷酸化改性生物炭表面,得到复合材料PC@ZIF-8。考察了体系p H、吸附剂添加量、接触时间、初始TC浓度、初始温度、离子强度及共存离子对PC@ZIF-8吸附性能的影响。PC@ZIF-8吸附TC的最佳p H值为7.0,在298 K下,PC、ZIF-8及PC@ZIF-8的饱和吸附量分别为53.5、82.0和308.4 mg/g。PC@ZIF-8的吸附容量超过了单独的PC和ZIF-8的总和。吸附反应是自发且吸热的,吸附过程符合Freundlich吸附等温线和准二级动力学模型。FT-IR结果分析表明π-π作用为吸附机制之一。XPS元素分析表明,金属Zn从TC的氨基中获得电子,通过配位键形成Zn-N-C键。PC@ZIF-8具备一定的抗离子干扰能力,Na Cl和Ca Cl2浓度达到1 mol/L时,TC的吸附率仍能达到90.9%和89.4%。多种体系共存阴阳离子对TC的吸附无显著影响,而PO43-的加入显著抑制了TC的吸附。重复利用实验表明PC@ZIF-8在经过6次再生循环后仍能达到80.2%的去除率,表明PC@ZIF-8具有良好的可重复利用率。
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