多种固废炭材料对水中磺胺二甲嘧啶的吸附特性及机理

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抗生素由于其效果好、广谱抗菌等特点而被广泛使用。未被吸收利用及丢弃的抗生素会通过多种渠道进入到环境中,导致其在环境中有大量检出。近年来磺胺类抗生素在我国的土壤、地表水及地下水中的检出率较高,因其难降解并且处理工艺有限,对生态环境、人类健康等产生了诸多不良影响。如何有效去除或降低抗生素类污染物对环境的危害已经引起了广泛关注。基于废物利用的生物炭技术不仅可以避免环境污染,还可以实现废弃物资源化的目标。目前,关于防控磺胺类抗生素向地下水环境迁移方面的研究,尤其是利用固体废弃物阻控磺胺类抗生素的研究十分有限,难以支撑再生水补充地下水源中污染风险的防控。因此,本文针对固体废弃物经过炭化后的新产品是否可以有效提升对磺胺类抗生素的吸附及相关机理进行了研究。选取3种生活中常见的固体废弃物(牛粪、茄子杆和煤矸石)为原料制成单一固废炭材料对水溶液中的磺胺二甲嘧啶(SMZ)进行吸附,并通过吸附剂添加量、溶液酸碱度及离子强度的单因素影响实验确定最优的吸附条件。将凹凸棒石废脱色土(SDE)在300、400、500℃下高温碳化成复合材料(分别记作A/C-300、A/C-400、A/C-500),在最佳吸附条件下利用上述6种固废炭材料对SMZ进行吸附。通过动力学、等温吸附和热力学研究6种炭材料对SMZ的吸附性能和吸附特性。并通过元素分析仪、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、Zeta电位分析仪、比表面积和孔体积分析仪、红外光谱(FT-IR)及Boehm滴定等手段对吸附材料进行了表征,探讨了其对SMZ的吸附机理。单一固废炭材料的吸附结果表明,牛粪炭、秸秆炭和煤矸石炭对SMZ的吸附在24h时基本到达平衡。三种炭材料对SMZ的吸附动力学特性可以用准二级动力学模型很好地模拟,R2在0.996~0.999之间,吸附速率随着炭材料上的有效吸附位点的减少而减小。该反应过程主要分为膜扩散、颗粒内扩散和平衡3个阶段。Freundlich模型能更好地拟合该反应数据,R2在0.993~0.999之间,主要为物理吸附,是自发的放热反应。在p H值为4左右,炭材料添加量为0.05 g且不添加无机盐的条件下,吸附效果最好。三种炭材料的最大吸附量从大到小排序为牛粪炭(19.64 mg·g-1)>煤矸石炭(12.06 mg·g-1)>秸秆炭(9.16 mg·g-1)。SMZ在三种炭材料上的吸附机制主要有:氢键作用、多分子层的静电吸附和孔隙填充等。其中,静电吸附为主要吸附机制。牛粪炭吸附性能最好主要是由于其含氧官能团较为丰富、负电荷较多、比表面积和孔容较大。复合材料(A/C)吸附结果表明,其吸附过程与单一固废炭材料的过程相似,准二级动力学方程和Freundlich方程也能很好的模拟SMZ在复合固废炭材料上的吸附。然而,SMZ在复合材料上的吸附属于吸热反应,升高温度有利于该反应进行。A/C-300的吸附性能相对最好,最大吸附量为53.19 mg·g-1。吸附机理如下:1)静电吸附:在p H=4时,A/C表面带负电荷,可以吸附呈阳离子状态的SMZ;2)氢键:A/C上的羟基与SMZ的苯环反应生成氢键;3)π-πEDA相互作用:磺酰胺基和氨基作为电子受体,A/C表面上的碳原子作为电子供体,形成π-πEDA相互作用;4)疏水作用:A/C表面分布着一定数量的疏水位点,产生疏水效应,吸附疏水性的SMZ。其中,氢键作用和π-πEDA作用可能是此吸附过程的主要机制。相关研究结果可为再生水回灌过程中防控磺胺类抗生素向地下水迁移提供了一种新的阻控材料,为“固体废弃物资源化”提供了一种新的新思路。
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