【摘 要】
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氯霉素(CAP)在水体、土壤甚至食物中被检出的频率越来越高,其带来的抗性基因对人类和环境造成了严重威胁。吸附法是目前高效、快速去除水体中氯霉素的有效途径之一,但是商用活性碳价格昂贵限制了其应用。生物碳具有原料广泛易得、表面积高和官能团丰富的优势被认为是一种潜在的环境友好型吸附剂。本文以来源丰富的造纸业副产物木质素磺酸钠(SLS)为碳源,通过调控参数制备出高吸附量、可回收和高再生性能的多功能多孔碳。
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氯霉素(CAP)在水体、土壤甚至食物中被检出的频率越来越高,其带来的抗性基因对人类和环境造成了严重威胁。吸附法是目前高效、快速去除水体中氯霉素的有效途径之一,但是商用活性碳价格昂贵限制了其应用。生物碳具有原料广泛易得、表面积高和官能团丰富的优势被认为是一种潜在的环境友好型吸附剂。本文以来源丰富的造纸业副产物木质素磺酸钠(SLS)为碳源,通过调控参数制备出高吸附量、可回收和高再生性能的多功能多孔碳。使用BET、SEM、FT-IR、XRD、XPS和VSM表征研究了其物化特性,并通过对CAP吸附研究其行为和机理。本文研究工作及结论如下:(1)提出了一种以SLS作为前驱体来制造层状多孔碳简单的制备方法。通过调控活化温度和活化剂K2CO3与SLS的质量比两个主要的活化条件,使用一步法制备了具有不同孔隙结构的多孔碳。在活化温度为800℃、K2CO3与SLS质量比为4条件下制备的多孔碳PC-800-4,具有较高的比表面积(1305.5 m2g-1)和孔体积(0.758 cm3g-1)。在303 K时,在较低的CAP初始浓度(120 mg L-1)下,PC-800-4的最大吸附容量为534.0mg g-1,与其他工作相比,这是一个很大的改进。吸附数据的分析结果显示,Langmuir等温线模型和拟二级动力学可以完美描述其吸附行为。热力学分析表明,该多孔碳材料对CAP的吸附是自发的吸热过程。此外,PC-800-4在较宽的pH范围内仍保持稳定的吸附性能,并且具有良好的抵抗离子和腐殖酸的干扰能力。研究结果表明,一步法制备木质素基多孔碳可带来几个优势,首先,一步活化法大大简化了多孔碳材料的制造过程,并降低了制备成本和时间。其次,来源丰富的碳源和实用性使PC-800-4有望开发为大规模实际应用的吸附剂。(2)为了打破提高活化温度和增加K2CO3的用量提高多孔碳对CAP的吸附量的限制,在上一步基础上使用三聚氰胺制备出N掺杂的多孔碳材料。在最佳条件(SLS:K2CO3:三聚氰胺=1:4:0.5)下制备出的PCN-0.5具备更高的BET比表面积(2567.9 m2g-1)和孔容(1.499m3g-1),较PC-800-4提升了近一倍。吸附行为符合Langmuir等温线模型和拟二级动力学模型。由于孔隙结构的提升,同条件下吸附量由534.0提升至719.3 mg g-1,吸附速率参数K2提高了85%,在120 min内就能达到饱和吸附量的95%。PCN-0.5在酸碱、0.1 M金属离子和高腐殖酸环境中仍保持对CAP的高效吸附。经4次解吸-再生循环后PCN-0.5仍保持最初吸附能力的87.3%,解决了再生性能不佳的情况,提升了其应用范围。(3)为了解决材料的回收性能以提高在实际工程中的应用,在前面制备的高吸附量N掺杂多孔碳的基础上通过添加九水合硝酸铁对材料赋予磁性。最佳条件下(SLS:K2CO3:三聚氰胺:九水合硝酸铁=1:4:0.5:0.5)制备出的PCN,Fe-0.5可以在10s内通过磁铁快速从水体中分离,而且具备2553.8 m2g-1的高比表面积和1.776 m3g-1的孔容。在303 K下吸附量较没有进行Fe掺杂由719.3降至633.5 mg g-1,但在308 K下提升至681.3 mg g-1,说明PCN,Fe-0.5更适合在高温条件下进行吸附。PCN,Fe-0.5对CAP的吸附行为符合Langmuir等温线模型和拟二级动力学模型,同样具备良好的抗环境干扰和再生性能。
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