纳米晶纤维素/羟基磷灰石纳米复合材料合成及吸附盐酸金霉素性能研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ciha
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抗生素的大量生产和过量使用,已经对生态环境和人体健康构成严重威胁,四环类抗生素在众多抗生素中属于应用最广泛的抗生素之一。盐酸金霉素(Chlortetracycline hydrochloride,CTC·HCl)是一种广谱抗菌药物,具有抑菌、杀菌作用,是一种四环素类抗生素。环境中的CTC·HCl不仅会干扰土壤微生物的呼吸、硝化和磷酸酶活性,还会引起病原生物体的耐药性,致使环境问题越来越严峻。用吸附法处理抗生素污染废水有效且吸附剂众多,所以其成为了目前的研究热点。最常报道的吸附剂有:碳纳米管、颗粒活性炭、石墨烯、生物炭、蒙脱石和高岭土等,但是这些吸附剂存在成本高、再生困难、对环境造成二次污染等缺点。羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAP)制备方法多,制备原料简单廉价,是一种环境友好型吸附剂,表面富含OH-,Ca2+,PO43-离子,具有良好的离子交换性能。故本研究采用HAP对CTC·HCl进行吸附,发现吸附效率虽然很快,但是没有达到理想的吸附量。为进一步开发HAP对CTC·HCl的吸附潜力,我们采用纳晶纤维素(Cellulose nanocrystals,NCC)作为增强剂来提高HAP的吸附性能,加入NCC后的HAP吸附CTC·HCl的效果较纯的HAP有了显著提高。本论文采用原位沉淀法合成了NCC/HAPs粉体材料,并考察了NCC与HAP质量比、反应pH值以及反应温度对NCC/HAPs复合材料的影响,发现较佳的制备条件是NCC与HAP质量比为1:1,pH为11,温度为20℃。实验通过X射线粉末衍射、傅里叶红外光谱分析、热性能分析、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、N2脱附-吸附等温线分析、紫外分光光度法等手段对合成的样品进行表征分析,表征结果与文献报道一致,表明本研究中NCC/HAPs被成功合成,并且推测NCC与HAP前驱体之间可能存在SO3-Ca2+的结合,以及C-OH和Ca2+以非共价相互作用的结合。加入NCC前后对比发现,加入NCC后使得晶体结晶性能稍微变差,但是随着NCC含量的增加,NCC/HAPs的比表面积也增加(从38.791 m2/g增至85.605 m2/g)。本论文还考察了NCC/HAPs吸附CTC·HCl时吸附时间、CTC·HCl初始浓度以及溶液pH对吸附性能的影响。通过实验发现较佳的吸附条件是CTC·HCl初始浓度为200mg/g,溶液pH为7,在此条件下,NCC/HAPs对CTC·HCl的吸附量可达139.44mg/g。为测试CTC·HCl吸附效果,我们对其展开动力学研究,研究表明,CTC·HCl在NCC/HAPs上的吸附过程遵循拟二级动力学模型,说明吸附存在化学吸附。为进一步探索NCC/HAPs对CTC·HCl的吸附机理,我们对NCC/HAPs吸附行为进行等温线和热力学研究,结果表明:NCC/HAPs吸附CTC·HCl能较好满足Freundlich吸附模型,说明该吸附过程主要以多分子层非均相吸附为主;并且热力学实验表明吸附是一个自发进行的吸热反应。pH实验研究表明:随pH增加,NCC/HAPs表面电荷由正变为负,溶液pH为中性时对CTC·HCl吸附效果较好。由以上结果可认为CTC·HCl在NCC/HAPs上的吸附机理复杂,推测存在范德华相互作用、分子扩散、静电相互作用、阳离子交换机制、阳离子桥接作用、络合作用和氢键作用。然而脱附实验证明,钙离子作用(包括阳离子交换机制、阳离子桥接作用、络合作用)可能是NCC/HAPs吸附CTC·HCl的主要驱动力。研究结果表明,NCC/HAPs对CTC·HCl有很好的吸附性能,可为其工艺开发提供一定的指导,有利于CTC·HCl在水环境中的去除。
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