生物质改性铁酸钴材料及其吸附水体四环素性能研究

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四环素的大量使用和排放对水体中微生物的多样性和人类健康造成极大威胁,如何去除四环素是国内外科研人员关注的重要问题。目前吸附法是一种效率高、能耗低的处理四环素的方法,其关键在于制备稳定且有效的吸附材料。磁性铁酸钴材料是一种化学稳定性强、磁饱和强度大的吸附材料,但存在吸附能力差、吸附效率低和重复利用性差的问题。因此,本研究以磁性铁酸钴为基体,引入生物质材料(盐酸多巴胺和稻壳)对基体进行改性,提高铁酸钴材料的吸附性能,实现快速和高效吸附水体四环素。主要研究成果如下:(1)通过引入表面具有丰富官能团的天然黑色素多巴胺对磁性铁酸钴材料进行改性,采用水热法和高温煅烧法合成了一种磁性复合材料(CN-Co Fe2O4),并将该复合材料用于吸附水体四环素。首先,探索了水热反应温度和盐酸多巴胺添加量对CN-Co Fe2O4吸附四环素的影响,表明最佳吸附材料制备条件为水热温度180℃、盐酸多巴胺添加量0.15 g。其次,研究了CN-CFO吸附四环素的性能。循环实验表明,经过五次重复利用后四环素的去除效率仍保持在初始吸附容量的87.24%。由吸附模型可知,CN-CFO吸附四环素的过程是一个自发的、吸热的化学反应,主要发生在单分子层上,且当温度为30℃时饱和吸附量为147.98 mg·g-1。最后,通过探索CN-CFO吸附四环素的吸附机理发现主要作用机制是表面络合作用、氢键作用、阳离子交换作用和静电吸引作用。(2)利用酸预处理法和高温煅烧法制备了稻壳Si O2,通过表面活性剂和正丁醇处理稻壳Si O2形成了的大小均匀且平均直径为100.6 nm的RH-Si O2纳米粒子,进一步利用RH-Si O2对磁性铁酸钴材料进行改性,合成用于吸附水体四环素的磁性RH-Si O2-Co Fe2O4复合材料。首先,探索了RH-Si O2添加量对RH-Si O2-Co Fe2O4吸附四环素性能的影响,得出最佳吸附材料制备条件为RH-Si O2添加量0.2 g。其次,研究了RH-SIO-CFO吸附四环素的性能。吸附四环素去除效率经过五次重复利用后仍保持在初始吸附容量的90.40%,表明吸附材料具有良好的可重复利用性。此外,吸附过程符合Langmuir等温模型和伪二阶动力学模型,表明吸附过程是主要发生在单分子层上的化学反应。当溶液温度为30℃时,吸附过程最快可在3 min内达平衡,饱和吸附量达到510.27 mg·g-1。与CN-CFO相比,吸附速率提高了40倍,吸附容量增加了3.4倍,这表明RH-SIO-CFO具有优异的吸附性能和快速的吸附能力。同时,由热力学模型可知该吸附过程是一个自发的吸热反应。最后,探索了RH-SIO-CFO吸附四环素的机理,发现主要作用机制是表面络合作用、氢键作用、阳离子交换作用和静电吸引作用。综上,本研究实现了生物质材料改性铁酸钴材料在水体TC污染物中的高效、快速吸附以及生物质废弃物稻壳的高值化利用,进而降低抗生素对水环境的污染,提高人们生活环境的质量。
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