改性甘蔗渣生物炭的制备及其对抗生素的吸附性能与机理研究

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抗生素(Antibiotics)指由细菌、霉菌或其他微生物在生活过程中所产生,具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物,能干扰或抑制致病微生物的生存,广泛地应用于人类及动物的疾病防治、农业生产、畜牧及水产养殖等领域。抗生素使用后并不会被生物体完全吸收,而是以原药或代谢产物(共轭态、氧化产物、水解产物等)的形式随粪便和尿液排入水体等环境中.低浓度的抗生素及其代谢产物在水体中就会诱导产生抗性基因,对水生生物及人类产生潜在的毒性效应。吸附法广泛应用于环境治理。其中,生物炭由于原材料主要来源与农业副产物具有可生物降解、可重复利用、来源广泛、操作简单、价格低廉等优点。但是未经改性的生物炭吸附容量低,无法从水体中分离,阻碍了其在抗生素污染方面的应用。因此,开发高效、经济、可回收的新型生物吸附材料逐渐成为水生态环境领域的研究热点之一。本论文以典型的农业副产物甘蔗渣(bagasse)为研究对象,通过一系列的改性方法制备改性蔗渣生物炭吸附材料,并将其应用于多种抗生素(环丙沙星、诺氟沙星和四环素)的吸附去除。本研究不仅可以提升甘蔗渣的利用价值,降低抗生素的去除成本,还为更多的改性生物炭吸附材料提供思路和理论基础。具体研究成果如下:(1)以甘蔗渣为原料,采用300℃下限氧热解60min制备生物炭(BC),随后以KOH为活化剂,通过浸渍法的方式制备了KOH改性蔗渣生物炭(KBC),并研究了其对环丙沙星(CIP)的吸附性能。通过多种手段进行表征分析,发现KBC以微孔为主的孔隙结构,比表面积达到12.0474m~2·g-1,达到未改性生物炭的2倍以上。碱活化后在生物炭表面发现大量的羟基、羧基、苯环等官能团。碱活化生物炭通过疏水作用、氢键作用、π-π相互作用等去除环丙沙星。KBC对CIP的吸附行为符合准二级动力学模型,等温吸附过程符合Freundlich模型。在25℃下,KBC对CIP的最大吸附量达到179.8mg·g-1。(2)同样采用在300℃下限氧热解60min制备生物炭(BC),使用KOH和硫脲的混合液在90℃下与BC混合搅拌制备了复合改性蔗渣炭(TBC),并研究了其对诺氟沙星(NOR)的吸附性能。复合改性有效降低了强碱(KOH)的使用量,且硫脲中富含大量的巯基(-SH)和(-NH2),作为氢键的供体和受体,能有效增强TBC和NOR之间的氢键作用。单因素实验中发现TBC拥有更快的吸附速率,在10min内达到95%的去除效率。TBC对NOR的吸附行为符合准二级动力学模型,等温吸附过程符合Langmuir模型。在25℃下,TBC对NOR的最大吸附量达到193.19mg·g-1。(3)生物炭无法有效的回收利用,是影响生物炭在水污染治理上应用的重要问题。近年来也是生物炭研究的热点问题之一。因此在先前研究的基础上,通过共沉淀法和共热解法制备了磁性蔗渣生物炭(MFe BC)。通过向材料上负载铁氧化物(Fe3O4)使生物炭获得磁性,以达到在外加磁场时有效分离。并研究其对四环素(TC)的吸附性能。表征发现Fe3O4粒子在生物炭表面大量分布形成良好的结合,其磁化强度达到6.86emu·g-1。可以被外部磁铁迅速吸引,使混合液澄清。MFe BC对TC的吸附行为符合准二级动力学模型,等温吸附过程符合Freundlich模型。在25℃下,MFe BC对TC的最大吸附量达到69.26mg·g-1。
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