TiO2-改性生物质炭复合材料的制备及其对恩诺沙星吸附降解研究

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恩诺沙星(Enrofloxacin)是动物专用氟喹诺酮类抗生素,在环境中不易分解,随着使用量的增加,也给环境带来了严重的污染问题,如何有效去除环境中残留的恩诺沙星值得探讨和研究。
  本研究以恩诺沙星为目标污染物,通过吸附试验确定玉米秸秆生物质炭(BC)的最佳制备条件,利用金属溶液(FeCl3、ZnCl2)和酸碱(H3PO4、KOH)浸渍处理制备铁改性(FBC)、锌改性(ZBC)、酸改性(HBC)和碱改性(KBC)生物质炭,通过对改性生物质炭进行结构表征和吸附特性研究,明确生物质炭对恩诺沙星的吸附特性。利用浸渍煅烧法对改性生物质炭负载TiO2,制备了TiO2-改性生物质炭复合材料,并对复合材料进行结构表征,研究复合材料对恩诺沙星的的降解性能。主要研究成果如下:
  (1)以玉米秸秆为原材料,在马弗炉中500℃煅烧3h制备BC;分别用0.1mol·L-1FeCl3溶液、0.5mol·L-1ZnCl2溶液和15%KOH溶液浸泡诺沙星的吸附能力为:KBC>HBC>FBC>ZBC>BC,其最大吸附量分别为43.95、36.45、31.5BC,浸渍比为1∶10,制备FBC、ZBC和KBC;85%H3PO4溶液,浸渍比为1:20,制备HBC。对恩7、34.56和28.49mg·g-1。准二级动力学方程和Langmuir方程能较好拟合恩诺沙星在五种生物质炭上的吸附行为;五种生物炭对恩诺沙星的吸附均是自发、吸热、无序的过程。
  (2)改性的生物质炭FBC、ZBC、HBC和KBC的比表面积分别比BC增加了9.77、8.16、9.95和11.01倍,改性后孔隙结构更加丰富;吸附恩诺沙星前后的红外光谱图表明五种生物质炭表面的酚羟基、羧基等含氧官能团都参与了反应。
  (3)在试验pH范围内(3.0~11.0),随着pH值的增大,BC、FBC、HBC和KBC对恩诺沙星的吸附量均呈现出先增大后减小的趋势,pH=5.0时吸附量达到最大,ZBC在pH=3.0时吸附量最大;背景溶液中Ca2+浓度的增大、溶液离子价态的升高、表面活性剂的存在均不利于生物质炭对恩诺沙星的吸附。
  (4)Ti-BC、Ti-FBC和Ti-KBC中的TiO2以锐钛矿型状态存在,比表面积较BC分别增加了3.20、8.16和10.96倍;通过对复合材料进行UV-visDRS分析,结果表明经过铁改性和碱改性之后负载TiO2的Ti-FBC和Ti-KBC的禁带宽度较低,具有更高的光催化活性。
  (5)BC、Ti-BC、Ti-FBC和Ti-KBC对恩诺沙星的光降解反应符合准一级动力学模型,紫外光照60min后,达到最大降解效果。Ti-KBC的去除效果最佳,当恩诺沙星初始浓度为100mg·L-1,加入量为200mL,Ti-KBC的投加量为0.5000g时,经过暗反应吸附阶段和光降解阶段,Ti-KBC对恩诺沙星的去除率最大可达84.65%;
  (6)四种复合材料对恩诺沙星的降解性能为:Ti-KBC>Ti-FBC>Ti-BC>BC;在紫外光的照射激发下,材料表面TiO2产生的光生电子和空穴对与溶液体系发生反应,生成?OH、O2?—等强氧化性的活性基团,对恩诺沙星的去除效果均优于可见光;催化降解体系中,参与降解恩诺沙星的活性物质有?OH、O2?—、h+,其中发挥主要作用的为O2?—。
  (7)经过五次循环试验后,Ti-KBC对初始浓度为100mg·L-1的恩诺沙星溶液去除率达到77.14%,仍然高于Ti-FBC、Ti-BC、BC,说明采用碱化生物质炭负载TiO2降解恩诺沙星是可行的。
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