假酸浆籽胶复合气凝胶对四环素的吸附性能研究

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近年来,抗生素作为治疗细菌感染的重要药物,在医疗卫生、牲畜养殖、食品工业等领域有着广泛的应用。然而由于人和动物对抗生素的代谢不完全,导致大部分抗生素以原始形式进入土壤及水环境中。这些抗生素很难被完全降解,其降解中间产物更具毒性,如果不妥善处理易造成水体污染,破坏水生生物的生态环境。因此,去除环境中的抗生素污染物对保护生态环境有重要意义。当前去除抗生素的方法有很多种,常用的包括臭氧氧化、光催化降解、微生物降解、电化学分解、吸附等,其中能够将环境中的抗生素吸附到吸附剂表面的吸附法被认为是一种去除抗生素的有效方法。相较于其他去除方法,吸附法有着低功耗、低成本、高效率、简单易操作及不造成二次污染等优势。假酸浆籽胶质(NPG)是假酸浆籽表面一层无色、无臭、无毒可食用的胶体。作为中药假酸浆的组成部分,假酸浆籽胶质被应用于食品、医疗等领域。假酸浆籽胶质的主要成分是以半乳糖醛酸为主链的多糖混合物,当水溶液中存在二价金属离子如Cu2+、Ca2+、Ni2+时,NPG会与金属离子交联形成具有空间网状结构的凝胶。生物质气凝胶有着无污染、易回收、可生物降解等优势。基于这些特性,假酸浆籽胶质材料有望成为一种新型的生物质吸附材料。基于以上背景本文的主要工作如下:(1)采用湿法纺丝技术制备了负载镍离子的假酸浆籽胶凝胶丝(NPG-Ni2+),采用扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪及比表面积分析仪(BET)对材料进行了表征,并在模拟四环素(TC)污染的水环境中进行吸附机理实验的探究。研究了p H、温度、吸附剂剂量以及接触时间等因素对NPG-Ni2+吸附TC性能的影响。结果发现,NPG-Ni2+凝胶丝材料在温度为303 K、用量为10 mg、TC初始浓度为200 mg/L时最大吸附量为102.68 mg/g。对实验数据进行等温模型及动力学模型拟合发现,Langmuir等温模型及准二级动力学模型能更好地描述吸附过程,这表明吸附过程是发生在凝胶丝匀质表面的单层吸附且是以化学驱动力为主的。热力学分析发现,吸附反应在实验温度范围内是自发的放热过程。吸附-解吸循环实验发现NPG-Ni2+材料的循环利用性能较差,需要进一步改进。根据实验结果得到,NPG-Ni2+对TC的吸附可能主要受n-π相互作用及阳离子键合桥作用驱动。(2)由于NPG-Ni2+凝胶丝对TC的去除效果较差且存在重复利用性差等问题,基于Cu2+具有络合水环境中TC的效果,采用湿法纺丝工艺制备了负载铜离子假酸浆籽胶凝胶丝(NPG-Cu2+)。通过静态吸附实验研究了p H、温度、吸附剂剂量以及接触时间等因素对NPG-Cu2+吸附TC性能的影响。结果发现,NPG-Cu2+凝胶丝材料在温度为323 K、用量为10 mg、TC初始浓度为140 mg/L时最大吸附量达到216.18mg/g。温度越高,越有利于吸附过程的进行,证明吸附过程是自发吸热的。实验数据更符合Freundlich模型及准二级动力学模型,这表明吸附可能是以发生在吸附剂多相表面的化学吸附为主的。对材料进行4次吸附-解吸附循环实验发现,NPG-Cu2+凝胶丝对100 mg/L的TC溶液去除率仍能达到60%以上,具有较好的可重复利用性。根据实验结果可得,NPG-Cu2+对TC的吸附可能主要受氢键、静电相互作用、n-π相互作用及阳离子键桥作用驱动。(3)柠檬酸能够与金属离子螯合同时通过羧基与TC的酰胺羰基间的氢键作用促进与TC的结合。为了进一步提高NPG-Cu2+材料对TC的吸附容量,以二价金属离子Cu2+为交联剂,制备了假酸浆籽胶/柠檬酸(NPG/CA)复合气凝胶。采用多种技术对复合材料进行了表征,并在模拟TC污染的水环境中对吸附行为进行了研究。探究了多种因素如p H、温度、吸附剂用量以及接触时间对吸附行为的影响。实验发现Freundlich模型和准二级动力学模型可以更好拟合实验结果,这表明NPG/CA材料对TC的吸附发生在凝胶丝多相不均匀的表面且吸附过程以化学驱动力为主。吸附实验表明,在温度为293 K、用量为10 mg、TC初始浓度为140 mg/L条件下NPG/CA达到最大吸附量231.93 mg/g。实验发现在温度较低的环境中吸附过程更易进行,这表明NPG/CA复合材料对TC的吸附行为是自发放热的。根据实验结果,NPG/CA对TC的吸附过程可能受到氢键相互作用、n-π相互作用、阳离子键桥作用及静电相互作用的驱动。
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