【摘 要】
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近年来,抗生素在自然水域和农业污水中被频繁检出(浓度级别为ng/L-μg/L),成为社会关注的新兴污染物。四环素因其对疾病防治、促进动物生长和提高饲料利用效率等方面有着重要作用,而多应用于人类医学和畜禽养殖。然而四环素并不能完全被人和动物消化吸收,30%-90%的四环素通过粪便和尿液被排放到环境,进而造成水体和土壤污染,威胁生态环境和人类健康。吸附法因具有高效率、易操作、低成本等优点被广泛用于水中
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近年来,抗生素在自然水域和农业污水中被频繁检出(浓度级别为ng/L-μg/L),成为社会关注的新兴污染物。四环素因其对疾病防治、促进动物生长和提高饲料利用效率等方面有着重要作用,而多应用于人类医学和畜禽养殖。然而四环素并不能完全被人和动物消化吸收,30%-90%的四环素通过粪便和尿液被排放到环境,进而造成水体和土壤污染,威胁生态环境和人类健康。吸附法因具有高效率、易操作、低成本等优点被广泛用于水中抗生素的去除研究,吸附剂则是吸附法的核心,本文根据研究热点和经济性分别选择三类吸附剂中各具代表性的两种,即炭质材料(生物炭和活性炭)、粘土矿物(蒙脱石和沸石)、絮凝剂(聚合氯化铝和壳聚糖)六种吸附剂。综合对比研究六种吸附剂对四环素的吸附特性差异,结合表征手段和六种吸附剂对四环素的吸附动力学模型、等温吸附平衡模型和吸附热力学,探究各吸附剂的吸附机理和吸附性能,同时通过响应面设计筛选生物炭、蒙脱石和聚合氯化铝的最佳吸附条件,并对实际沼液进行应用,得到如下主要结论:(1)吸附模型拟合结果表明,Elovich模型较传统的伪一、二阶动力学模型更加适合解释六种吸附剂吸附四环素的吸附过程,说明六种吸附剂吸附过程涉及化学吸附,受多个吸附进程控制,不断转向多层吸附,其中活性炭和壳聚糖的颗粒内扩散过程是吸附四环素可能的限速步骤;Langmuir模型、Freundlich模型和Temkin模型拟合效果均较好,模型拟合参数对比得到蒙脱石的吸附容量最大,生物炭次之,壳聚糖的吸附容量最小;除蒙脱石外的其余五种吸附剂的吸附过程为吸热反应。(2)吸附试验结果显示,当初始四环素浓度为120mg/L时,蒙脱石对水中四环素的吸附效果最好,生物炭次之,然后是聚合氯化铝。三者分别比同为炭质材料的活性炭、粘土矿物的沸石和絮凝剂的壳聚糖具有更加优异的吸附特性。生物炭、活性炭、蒙脱石和沸石在p H为5时拥有最大吸附量,适合处理弱酸水体中的四环素;六种吸附剂中蒙脱石、生物炭和聚合氯化铝吸附平衡时间最短(12h)且平衡吸附量较高,依次为蒙脱石(104.09mg/g)、生物炭(26.35mg/g)、聚合氯化铝(22.04mg/g);除却蒙脱石的其余五种吸附剂均可通过加热方式加强四环素的去除效果;生物炭和活性炭的最佳固液比为1.20g/L,蒙脱石和沸石的最佳固液比为0.80g/L,壳聚糖和聚合氯化铝的最佳固液比为0.40g/L,可以通过较少的投加量吸附四环素,但是吸附效果没有其他四种吸附剂好。(3)经响应面优化试验模型拟合和验证试验得到吸附剂对水中四环素的最佳吸附参数设定:生物炭的固液比为2.30g/L,四环素初始浓度为24.00mg/L,吸附时间为9.8h,溶液p H=5时,生物炭对水中四环素的吸附量和吸附率分别为7.95mg/g和77.58%;蒙脱石的固液比为1.90g/L,四环素初始浓度为54.00mg/L,吸附时间为4.0h,溶液p H=6时,蒙脱石对水中四环素的吸附量和吸附率分别为27.91mg/g和98.37%;聚合氯化铝的固液比为0.60g/L,四环素初始浓度为230.00mg/L,吸附时间为4.0h,溶液p H=5时,聚合氯化铝对水中四环素的吸附量和吸附率分别为49.95mg/g和13.89%。(4)三种吸附剂优化参数的沼液试验结果显示,在沼液环境中生物炭可以有效吸附78.62%的四环素,吸附量达8.51mg/g;蒙脱石吸附四环素的吸附率和吸附量分别为80.22%和19.45mg/g;聚合氯化铝吸附四环素的吸附率为64.41%,吸附量为253.00mg/g。试验结果表明这三种吸附剂在去除沼液中的四环素方面均有一定应用潜力。
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