蟹壳基生物炭吸附和活化过硫酸盐去除四环素的机理研究

来源 :湖南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:loveme2001
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近年来由于畜牧业等大型养殖业和医疗行业的高度发展,流行疾病肆虐,直接或间接导致了大量的抗生素在这些行业中使用,进而产生了大量抗生素废水亟需处理,其中,四环素类和氟喹诺酮类抗生素属于水环境中两种典型的抗生素类污染物。据报道,目前在各类水体甚至土壤中均能检测到抗生素的存在,与此同时,研究者们还将更多的目光转移到抗生素可能产生的重要威胁,即抗生素耐药基因的产生和其引发的免疫性疾病。如何从环境中高效、低成本地去除抗生素已经成为了一个研究热点。目前为止,已经开发了如吸附法、Fenton氧化法、光催化氧化法、生物降解以及基于过硫酸盐的高级氧化法等多种方法从环境中去除抗生素。为了保护地球环境、促进可持续发展,垃圾分类和垃圾资源化利用已经成为了时代趋势。由于地摊经济和电商行业的兴起,催生了水鲜产品的爆售,从而产生了大量的餐厨垃圾,餐厨垃圾的资源化利用需要寻找新的方向和途径。基于此,本研究以水鲜产品中的甲壳素类生物质材料——蟹壳为原料,将其制备成为生物炭用于去除水环境中的抗生素。本研究通过合成两种基于蟹壳的生物炭——蟹壳炭(CS)和盐酸酸化蟹壳炭(CS-H),分别研究CS吸附和CS-H活化过一硫酸盐(PMS)降解典型抗生素四环素(TC)作用效果。通过对实验结果和表征结果的分析探讨,对CS、CS-H吸附和高级氧化降解TC的机理提出合适的解释。所做的主要工作如下所示:(1)800℃高温热解蟹壳获得CS,并且利用多种化学试剂对CS进行活化,最终得到CS和CS-H两种吸附材料。采用X射线粉末衍射、X光电子能谱、傅里叶变换红外光谱分析、N2吸脱附曲线、电子自旋共振光谱和光电流等方式对样品进行表征测试。除此以外还探究了各项因素如p H、时间、温度、离子等对CS、CS-H吸附和活化PMS去除TC的影响,探究吸附机理与降解机理。(2)吸附实验结果显示,CS可以快速高效地去除TC,在4 min内达到吸附平衡;TC在CS-H上可以在19h时达到934.5794 mg/g的高吸附容量。CS和CS-H的吸附均拟合二阶动力学模型,表明二者主要通过化学吸附去除TC;通过分析吸附等温模型发现,CS和CS-H分别符合Langmuir模型和Freundilich模型。CS-H对TC的吸附机理包括孔填充的物理吸附、化学吸附包括疏水作用,π-π共轭相互作用,氢键以及静电相互作用,主要活性位点可能是生物炭中的石墨相碳、苯环和含氧官能团。CS能够超快速地吸附溶液中的TC,主要原因是CS中的Ca O进入溶液中迅速反应生成Ca(OH)2,之后与TC发生了絮凝吸附作用以及表面吸附作用。CS-H吸附容量提升的原因可能是因为去除Ca后形成了大量的微孔和中孔。(3)活化PMS实验表明,CS可以显著提升PMS对TC的降解效率(超过75%),TC去除效率在20 min就基本能达到86.99%,Ca的存在促进TC的降解。CS活化PMS降解TC的机制为自由基途径和非自由基途径协同进行,其中非自由基途径(表面氧空位)占主导作用,CS具有较高的电导率和能够响应光电流,可以产生电子转移现象。而活性基团·O2-、·OH、·SO4-和~1O2也在降解TC的过程作出了一定贡献,其中·O2-占主导作用。综上所述,本研究为餐厨垃圾资源化提供了一种新的途径,提出了自由基和非自由基共同作用降解抗生素类有机污染物的机制,以及在非自由基途径中,表面氧空穴可以促进电子转移。
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