多层环糊精-氧化石墨烯骨架薄膜的制备及其去除水中PPCPs的效能与机制研究

来源 :北京建筑大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hubai123
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近年来,药品与个人护理品(Pharmaceutical and personal care products,PPCPs)在全球各种水体中被监测出,其对水生态系统和人类健康存在的潜在危害引起人们广泛关注。虽然PPCPs在水环境中的浓度水平较低(ng/L-μg/L),但这些物质一般都具有持久性、生物累积性和难降解性等特点。而研究表明传统水处理工艺并不能有效的去除水中的此类污染物,这就需要对水处理提出更高的要求以保障水质安全。本研究基于氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)和β-环糊精(β-Cyclodextrin,β-CD)的独特性能,将β-CD以骨架结构的形式装配到GO的单层薄膜之间,从而制备出新型多层薄膜吸附剂。研究薄膜吸附剂对水中双氯芬酸钠(Diclofenac,DCF)、西咪替丁(Cimetidine,CTD)和磺胺甲恶唑(Sulfamethoxazole,SMZ)这三种典型PPPCs的去除效能和机制,以期为水中PPCPs的去除提供科学建议和参考。主要结论如下:(1)成功制备了β-环糊精/氧化石墨烯复合物(β-CD/GO),成功将β-CD负载在GO表面,所制备的吸附剂具有明显的层状结构,且在pH为210范围内表面带有大量负电荷。溶液pH会影响β-CD/GO对CTD、SMZ和DCF的吸附量,随着pH值的增加吸附剂对CTD、SMZ和DCF的吸附量显著降低。随着离子强度的增加,吸附量逐渐降低,二价离子的抑制效果明显强于一价离子。吸附剂对CTD、SMZ和DCF的吸附在2 h内速率较快,在6 h后趋于吸附平衡,动力学拟合结果较好符合准一级动力学模型。吸附量随着PPCPs初始浓度的增加而增大,随着反应温度的升高而降低,吸附符合Langmuir模型,属于单分子层吸附,且是一个放热过程。研究表明制备的复合物对PPCPs的吸附机理主要是物理吸附和化学吸附共同作用的结果。(2)成功利用涂覆法制备了铜箔基底β-CD/GO薄膜,所制备的薄膜具有明显的多层状结构且每层分布较为均匀,表面平滑完整,具有良好的水稳定性。β-CD的含量对薄膜吸附PPCPs的效能影响较小,但β-CD的添加对于薄膜的吸附效果有正相关作用。与复合物类似,溶液的pH会影响薄膜对于CTD、SMZ和DCF的吸附量,在弱酸及中性条件薄膜吸附CTD、SMZ和DCF的效果较好,而碱性条件会降低薄膜的吸附效果。随着离子强度的增加,薄膜对PPCPs的吸附量逐渐降低,其对薄膜吸附的影响表现为:Ca2+>Na+,CO32->Cl-。吸附动力学拟合结果较好符合准一级动力学模型。薄膜对CTD、SMZ和DCF的吸附量较大,且等温吸附线符合Langmuir模型,CTD、SMZ和DCF与薄膜之间的相互作用是一个放热、体系混乱度减小的过程。薄膜经过5次循环吸附实验,依然具有较好的吸附效果和回收利用性能。吸附剂形态并未对吸附剂机理造成太大影响,吸附机理基本一致。(3)成功利用提拉镀膜法和真空抽滤法制备了β-CD/GO薄膜,两种吸附剂的表面均表现出了连续而且完整的状态。相较于提拉镀膜法,真空抽滤法的表面褶皱更加明显,两种制备方法所得薄膜的断面均可看到明显的多层状结构,同时每层分布较为均匀。比较了三种方法所制备的薄膜的特性,其表面粗糙度顺序由小到大为:铜箔基底涂覆法<玻璃基底提拉镀膜法<真空抽滤法。表面粗糙度大也代表着薄膜的比表面积较大,这有利于薄膜与PPCPs之间的接触和吸附,涂覆法薄膜对CTD、SMZ和DCF的吸附量分别为26.77 mg/g、20.65 mg/g和14.59 mg/g,提拉镀膜法薄膜对CTD、SMZ和DCF的吸附量分别为26.89 mg/g、20.72 mg/g和17.91 mg/g,真空抽滤法薄膜对CTD、SMZ和DCF的吸附量分别为为27.14 mg/g、22.54 mg/g和18.24 mg/g。这与表面粗糙度基本保持一致,浸泡实验表明制备的薄膜具有很好的水稳定性。β-CD的含量对吸附效能略有影响,β-CD的添加会提高薄膜对PPCPs的吸附效能。两种薄膜经过5次循环吸附实验后,依然对PPCPs具有较好的吸附效能,而且薄膜本身几乎没有损失,具有良好的重复利用性。
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