石墨烯及石墨烯—聚砜吸附杂化膜对水中氟苯尼考的吸附研究

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随着抗生素对水体的污染愈加严重,人们的健康和生态系统的稳定受到威胁。吸附法和膜过滤法是近几年应用于高浓度有机废水深度处理的研究热点。为了去除水中兽用抗生素氟苯尼考,本课题采用应用极广的碳基吸附剂石墨烯对水中氟苯尼考进行吸附去除,通过设置一系列的静态吸附实验,探究p H、阴离子和其它抗生素等对石墨烯吸附氟苯尼考过程的影响,研究其吸附动力学过程和吸附等温线,通过一些材料表征手段对石墨烯的结构和组分进行分析,探究其吸附的机理。但是石墨烯是粉末状材料,在水中易发生团聚等问题,因此将石墨烯固定在载体上可以解决该问题。结合吸附法与膜过滤法,选用聚砜作为有机相,通过共混法制备石墨烯-聚砜吸附杂化膜,力求获得一种制备简单、稳定性高、吸附量高的吸附杂化膜来对水中氟苯尼考进行动态过滤去除。主要研究结果如下:(1)石墨烯对氟苯尼考的吸附在p H2-9范围内效果较好,当p H大于9时,由于静电斥力的存在使得吸附容量大幅下降。吸附过程不受SO42-和Si O32-阴离子的影响,而Cl-有轻微抑制吸附的作用。氯霉素、盐酸林可霉素和氨苄霉素都对石墨烯吸附氟苯尼考有一定的影响,氟苯尼考的同类别抗生素对吸附影响更大。动力学符合准一级动力学模型,吸附过程可能以物理吸附为主,并且在前3 min吸附速率极快,然后继续缓慢吸附,最终在10 min左右达到吸附平衡。并且准一级动力学模型计算出的平衡吸附量(qe)为7.68 mg/g。石墨烯对氟苯尼考的吸附过程更符合Langmuir模型,表明吸附过程是单分子层吸附,最大吸附量(qm)为12.10 mg/g,优于其它吸附剂,并且吸附过程是易于进行的。石墨烯吸附氟苯尼考后可进行回收和再生,经过五次再生循环后,总再生率仍能达到55%以上。通过SEM、EDS、FTIR和XPS的一系列表征,石墨烯存在严重的团聚现象,会影响对氟苯尼考的吸附能力,同时发现石墨烯表面含有少量的氧元素以有机含氧基团的形式存在,其对吸附氟苯尼考有利。对氟苯尼考在石墨烯上的吸附机制进行探讨中发现主要吸附机制为分子间引力、π-π相互作用和氢键作用。(2)利用共混法将石墨烯与有机高聚物膜材料聚砜制备成石墨烯-聚砜吸附杂化膜,以纯水通量为目标,聚砜膜的厚度优化为200μm,基本组分确定为14wt%聚砜、85.5 wt%DMAc、0.5 wt%PVP。成功制备成了四种石墨烯-聚砜吸附杂化膜M0.05、M0.1、M0.2和M0.5。通过对M0.2进行FTIR、SEM和EDS分析,吸附杂化膜可以被均匀地刮涂出来,主要由致密层和孔层组成,在一定范围内随着石墨烯添加量的增多,膜的孔隙率从40.76%增加到49.09%,平均孔径从32.2 nm增加到35.9 nm,当添加过多时,则出现下降的趋势。(3)M0.05、M0.1、M0.2和M0.5均对氟苯尼考表现出一定的吸附效果,石墨烯的添加量越多,吸附能力越强。通过换算膜内存在的石墨烯含量与此含量的石墨烯的吸附能力进行比较,石墨烯的添加量越多,吸附能力损耗越大。综合水通量与吸附能力,M0.2为最佳吸附杂化膜。p H在2-8范围内吸附杂化膜对氟苯尼考的吸附效果良好。吸附动力学显示前5 min为快速吸附阶段,然后进入缓慢吸附阶段,最终约在20 min时达到吸附平衡。准一级动力学模型和Langmuir模型更适合描述吸附过程,计算出的理论最大吸附量(qm)为1.72 mg/g,并且吸附过程是容易发生的。吸附杂化膜具有更好地再生能力,经过五次再生后,总再生率达68%,比石墨烯的总再生率提高了13%。利用吸附杂化膜对低浓度氟苯尼考溶液进行连续吸附过滤实验,在进料浓度为10μg/L,运行压力0.1 MPa,最大污染水平5μg/L下,M0.2的处理能力约为127.39 L/m~2。
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