论文部分内容阅读
近年来,作为新兴痕量有机污染物的药物受到广泛关注。在各种药物中,抗生素的使用在世界范围内迅速增加,因此受到广泛关注。吸附法由于具有成本低、简单高效、无副产物等优点被认为是一种有前途的方法来去除抗生素废水。其中生物炭是一种低成本、高效率的新型吸附剂,是目前世界上去除水中各种污染物最常用、最有效的吸附剂。生物炭作为一种可再生资源,由于其经济和环境效益,是水污染物处理环境技术的理想资源。铁基生物炭材料(MBC),不仅可以保持生物炭材料良好的孔隙结构,而且可以引入含氧官能团,同时在吸附污染物后,可以通过外部磁场实现快速固液分离,在提高了材料的循环利用性能的同时也节约了成本。所以,MBC材料在处理抗生素废水方面有巨大的潜力及应用前景。本文从铁基生物炭的制备出发,以不同的活化剂活化旨在开发了一系列优异的吸附剂用以去除抗生素废水。选取四环素(TC)和环丙沙星(CIP)作为目标污染物,并采用SEM、FTIR、BET、XRD、XPS、VSM、Raman、Zeta电位等分析手段对制备的一系列MBC进行表征分析,系统考察不同制备方法及不同活化剂下对MBC结构性质及对TC和CIP吸附性能的影响。通过探究影响因素(时间、溶质浓度、溶液初始p H、温度、共存离子)对MBC吸附性能的影响,结合附动力学、吸附等温线、吸附热力学模型拟合,尝试解释MBC在水溶液中对TC和CIP的吸附行为,并进一步阐明吸附机制。此外,还通过再生实验考察了MBC的重复利用性能。本文主要的研究内容如下:(1)以甘蔗渣为生物质基质,高温热解制备了生物炭基础材料BC(不使用活化剂),并考察了BC对TC和CIP的吸附特征及吸附特性,为后续MBC的提供空白对照。结果发现未使用活化剂的情况下,BC的比表面积仅为241.24 m~2/g,表面形貌出现大面积的孔隙堵塞,其对TC和CIP的最大吸附容量为145 mg/g和102 mg/g,且表现出对p H的高度依赖性。(2)以KOH为活化剂,Fe Cl3·6H2O为浸渍溶液,采用两步法制备KFBC。表征结果表明,KFBC的比表面积增加到241.24 m~2/g,孔隙结构也更好。KFBC对TC和CIP的最大吸附量分别为563.07 mg/g和587.96 mg/g。模型拟合结果表明,准二级动力学模型更适合描述TC和CIP在KFBC上的吸附。Freundlich等温线模型更适合描述TC和CIP在KFBC上的吸附。KFBC吸附TC和CIP的主要机制包括含氧官能团的表面络合、孔隙填充、π-π共轭和静电引力。(3)将甘蔗渣与Zn Cl2、Fe Cl3·6H2O共热解一步法制备了ZFBC,其对TC和CIP这两类典型的抗生素具有良好的吸附能力以及较快的吸附速度,对TC和CIP的最大吸附容量分别为446.75、774.95 mg/g。表征结果表明ZFBC具有良好的孔隙结构(SBET=654.3 m~2/g)、较强的磁性(25 emu/g)以及高度的石墨化。伪二阶模型和Freundlich模型能较好地描述了实验数据,表明化学吸附参与了TC和CIP在ZFBC上的吸附以及其吸附过程主要是一种非均质的多层物理吸附。其可能的吸附机理主要以π-π共轭、氢键作用、孔隙填充、静电吸引为主。(4)为了制得经济、高效、制备简易的绿色铁基生物炭,创新性的以K2Fe O4作为活化剂被用于改性生物炭。以高铁酸钾作为活化剂,一步法制备了一种新型磁性石墨生物炭HFBC。表征结果显示出该材料具有高石墨化,强磁性,多孔等特点。HFBC-800展现出对TC和CIP的优异的吸附能力,其吸附容量分别是BC的2.7、4倍。动力学研究表明,动力学数据符合准二级动力学模型。等温线实验数据与Freundlich模型拟合度更好。HFBC-800在较宽的p H范围内以及共存离子的干扰下都能保持对TC和CIP的稳定高效的吸附能力。HFBC-800对TC和CIP的主要吸附机理可能为π-π共轭,氢键作用和孔隙填充。总之,HFBC-800具有稳定高效的吸附能力,良好的再生性以及和优异的磁选能力,是一种极具潜力的绿色吸附剂。