铁插层改性蒙脱石对四环素的吸附特性研究

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近年来,抗生素在水体、水体沉积物和土壤当中高频检出。抗生素在环境中存在极易引起病原微生物产生耐药性,从而对人类及其他生物的健康构成巨大风险。显然,深入研究其在环境中迁移转化规律,并寻找一种简单、环保又经济的处理技术,控制环境中抗生素的暴露水平已成为当务之急。铁柱撑蒙脱石集聚了粘土和金属氧化物的优点,而其应用研究以往大都集中在对持久性有机物(POPs)、染料等污染物的催化氧化降解。本论文则着重考察了其对四环素的吸附研究,并开展了制备条件(改性温度、碱铁比)对该材料吸附性能的影响。  具体研究内容与结果如下:  1)本文采用了优化的方法制备出碱铁比1∶1的铁插层蒙脱石(Fe-Mt-1∶1)。利用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、N2吸附-脱附(BET)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、Zeta电位测定等手段对Fe-Mt-1∶1进行了分析,并进一步研究该改性矿物材料对四环素的吸附性能。结果表明,Fe-Mt-1∶1具有较好的层离结构和较高的孔容。在给定的反应条件下,吸附剂投加量为1.0 g L-1时对TC的吸附量达最大值。吸附过程符合准二级动力学方程,并且随着吸附质浓度增大,吸附速率常数k减小;颗粒扩散受到表层扩散和内扩散两个步骤控制。等温吸附结果表明,采用Langmuir、Freundlich和Temkin等吸附模型的拟合度都较高,可能是因为吸附过程较为复杂。热力学研究结果表明,该吸附反应过程表现为吸热、熵值增加、温度越高自发程度越大。  同时,重点考察了阴离子种类对吸附等温线的影响。实验表明,一价阴离子的影响,彼此类似并且较小;高价阴离子SO42-和PO43-对TC吸附的影响较大,致使F e-Mt-1∶1对TC的吸附量倍增。阴离子浓度对TC吸附的影响表现为,Fe-Mt-1∶1对TC的吸附量随背景电解质的浓度增大而增大,故推测阳离子交换不是改性蒙脱石的主要吸附机理。而pH对吸附的影响表现为,当3<pH<4.5时,Fe-Mt-1∶1对TC的吸附率随pH上升而上升;当4.5<pH<7时,吸附率开始缓慢下降,pH>7时吸附率迅速下降。其中pH在4.5附近时吸附率最大值。因此,TC的上述吸附过程多种作用机制并存,其中以表面配位、阴离子桥键为主。  2)研究了制备温度条件对样品的结构以及对TC吸附性能的影响。XRD表征和TEM观察结果显示,在使用333.25 K陈化柱撑液的改性样品中,其层离结构更清晰、晶体规整度更高。动力学吸附试验研究表明,在使用333.25 K陈化的4#Fe-Mt-1∶1对TC的吸附速率要略高于温度条件不同的其他三者,其次为2#Fe-Mt-1∶1样品;对比1拌至4# Fe-Mt-1∶1四种样品在相同条件下的吸附等温线时则发现,采用高温陈化的2#和4#两种样品对TC的最大吸附量大于室温陈化的1#和3#两种样品。  3)对比研究了Fe-Mt-1∶2、Fe-Mt-1∶1、Fe-Mt-2∶1等三种不同碱铁比样品的XRD、TEM、N2吸附-脱附性质差异,并考察了这三种样品对TC的吸附性能。由TEM照片可看出,三种样品皆出现具有层离结构的片状矿物,但碱铁比1∶2的样品中表现得更规则更清晰。对比三种样品的N2吸附-脱附性质可知,碱铁比越大的样品比表面积越大,孔容却越小。由吸附动力学和等温线研究结果可知,随着碱铁比的增大,吸附速率减慢,而理论最大吸附量增大。这可能与三者的孔隙结构以及组成不同有关。三种样品对TC的吸附量随pH变化的趋势相似,但在酸性pH条件下Fe-Mt-2∶1对TC的吸附性能最好,Fe-Mt-1∶1的次之。
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