改性凹凸棒土对水中抗生素的吸附研究

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β-内酰胺类抗生素是指化学结构中具有β-内酰胺环的一种抗生素,属于抗生素中的一个大类,也是现有抗生素使用最广泛的一类。抗生素废水具有COD浓度高、SS浓度高、含生物毒性物质、水质成分复杂等特点,给水环境系统和人体健康带来潜在威胁。凹凸棒土(凹土)是我国储量丰富、来源广泛、成本低廉的一种无机纳米材料,广泛应用于重金属和有机污染物的去除,在水处理领域中应用广阔。本论文以酸活化凹土、葡萄糖和壳聚糖为原料,用水热法制备出碳改性凹土,增强凹土的亲有机性,研究该材料的最佳改性工艺,并将其用于阿莫西林(AMX)和氨苄西林(AMP)废水的吸附处理,探讨其吸附性能,主要研究内容如下:  (1)将经过预处理和酸活化的凹土与葡萄糖(glucose,GLC)或壳聚糖(chitosan,CTS)在一定水热条件下进行水热反应,水热合成的碳改性材料GLC/ATP或CTS/ATP对AMX和AMP进行吸附,结果表明,中性条件下,碳/土比例为3∶1,反应温度为180℃时制得的碳改性凹土对抗生素的吸附效果最佳,且CTS/ATP对抗生素的吸附效果比GLC/ATP好。  (2)经扫描电镜和透射电镜分析,发现天然凹土经碳负载后表面形貌发生了明显改变,由原来大小不一的针棒状结构转变成多孔隙结构,出现了大量架空的孔洞,并有碳颗粒负载在表面,分散性和内比表面积较天然凹土均大大提升。纳米碳颗粒以无定形的状态较均匀地负载在凹土表面,碳颗粒的粒径约为20-100nm。碳改性凹土的合成机理是:葡萄糖或壳聚糖裂解分子所带电荷与凹土表面电荷性质不同,从而使碳颗粒以无定形状态附着在凹土晶体表面。  (3)由XRD和FTIR对比分析可知,凹土经碳改性后产生了C-H、C=O等有机官能团,增加了吸附剂的亲有机性;碳改性可以减少甚至去除石英等杂质,但没有改变凹土的晶体结构。  (4)选取最佳水热条件下制备的CTS/ATP对AMX和AMP进行吸附实验,探讨吸附时间、初始浓度、反应温度、pH值、吸附剂投加量、共存阳离子对吸附效果的影响,并设计正交实验确定CTS/ATP吸附AMX和AMP的最佳吸附条件。结果表明,CTS/ATP对AMX和AMP的吸附平衡时间约为120min;阳离子Al3+、Ca2+和Na+对CTS/ATP吸附AMX和AMP起抑制作用,阳离子对吸附AMX和AMP的影响程度为Al3+>Ca2+>Na+。CTS/ATP对AMX和AMP的最佳吸附条件均为:初始浓度为200mg/L、吸附剂用量为0.5g、溶液pH值为3、温度为40℃;最佳吸附条件下CTS/ATP对AMX和AMP的去除率分别为86.35%、82.81%,未改性凹土对AMX和AMP的去除率分别为58.77%、56.16%,CTS/ATP对抗生素的去除率约为未改性凹土的1.5倍。  (5)根据吸附动力学和吸附热力学研究碳改性凹土对抗生素的吸附机理。CTS/ATP对AMX和AMP的吸附过程符合伪二级动力学模型,限制反应速率阶段并控制吸附过程的可能是化学吸附;Langmuir方程比Freundlich方程和Temkin方程更适合用来描述AMX/AMP在CTS/ATP上的吸附行为,因而可以推断CTS/ATP对AMX和AMP的吸附是单分子层吸附;AMX和AMP在CTS/ATP上的吸附过程的焓变、熵变均大于0,表明CTS/ATP吸附AMX和AMP的过程是吸热反应,提高温度有利于促进CTS/ATP对AMX和AMP的吸附。
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