水稻秸秆生物质炭的制备及其吸附水中磺胺甲恶唑的效能

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磺胺甲恶唑(SMZ)是一种典型的磺胺类抗生素,具有成本低廉、使用简便等优势,被广泛应用于人、畜疾病的治疗中。SMZ的化学性质稳定,难以被自然降解,容易积聚在水体和底泥中,对生态环境造成威胁。吸附法由于具有操作简单、绿色环保等优点是去除水中抗生素的有效手段,本研究以水稻秸秆为原料制备生物质炭,通过静态吸附和动态吸附实验探究其对水体中SMZ的去除效能和吸附机理,为生物质炭吸附技术用于去除水源水中的抗生素提供理论依据和技术指导。本研究用磷酸对水稻秸秆进行前处理,得到了对磺胺甲恶唑具有最佳吸附效果的磷酸预处理生物质炭材料(PBC)。通过扫描电镜、比表面积分析仪、拉曼光谱、傅里叶红外光谱等多种方式对经磷酸和未经磷酸预处理制备的生物质炭进行表征。结果显示,经磷酸预处理后,材料表面的羧基和羟基等含氧官能团的数量有所提高,生物质炭的比表面积由183.935 m~2/g增大至232.509 m~2/g。吸附动力学、吸附等温线和吸附热力学研究表明,PBC对磺胺甲恶唑的吸附符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型,表明该过程为化学吸附,25℃条件下的最大吸附容量为148.62 mg/g,并且PBC对磺胺甲恶唑的吸附量随温度的升高而增大,表明该反应为吸热过程。当溶液p H>5.7时,PBC与磺胺甲恶唑会发生静电排斥作用,从而抑制吸附过程的进行。溶液中低浓度的共存离子和腐殖酸的存在对吸附过程没有显著影响,但是溶液中的HCO3-、NO3-和腐殖酸浓度较高时会占据PBC表面的活性位点,导致吸附率下降。本文进一步设计了生物质炭固定床动态吸附柱,探究了进水流量、炭床高度、进水浓度和溶液p H对PBC固定床吸附柱运行过程的影响。结果显示,当进水流量为8 m L/min、炭层高度为2 cm、磺胺甲恶唑进水浓度为1 mg/L、溶液p H为6时,吸附柱于63 h达到穿透点,192 h达到饱和点,饱和吸附量为65.66 mg/g。Thomas模型、Yoon-Nelson模型以及BDST模型拟合吸附过程所得的相关系数R~2均大于0.98,表明该吸附过程能被有效预测。综上所述,磷酸预处理生物质炭具有丰富的含氧官能团和较大的比表面积,是一种绿色、高效的吸附材料。将其制备为固定床吸附柱能实现水体中磺胺甲恶唑的高效去除,对实际工程具有一定的指导意义。
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