改性活性炭对水中典型磺胺类抗生素的吸附性能研究

摘要

磺胺类抗生素由于具有价格低廉、治疗效果明显、抗菌谱广泛等优点，常被用于人类和动物的医疗，这些磺胺类药物大部分会以原药或代谢物的形式经动物粪便和尿液排出并进入环境，且在水环境中性质较为稳定，容易长期残留，在土壤、地表水、地下水甚至饮用水中均有较高检出率。本文分别利用Fe3+和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）改性活性炭，通过SEM、TEM、EDS、FT-IR、BET、Raman、XRD 等表征分析改性活性炭的性质，通过吸附等温线、吸附动力学、吸附热力学、吸附活化能等研究，探索改性活性炭对磺胺类抗生素的吸附特性及机理，并在城市污水处理各工段磺胺类抗生素含量及消减规律分析的基础上，研究了改性活性炭对各工段出水磺胺类抗生素的去除。本文主要研究结果如下： （1）改性活性炭SEM和TEM表征结果显示：Fe3+改性活性炭（MAC-1）表面孔穴、孔结构增多，CTAB 改性活性炭（MAC-2）孔隙结构减少，可能是CTAB占据了活性炭孔穴。改性活性炭BET表征发现：MAC-1比表面积、总孔容积、中孔容积和微孔容积均有明显增加（增幅约2倍），MAC-2比表面积、总孔容积、中孔容积和微孔容积均有较大下降。改性活性炭FT-IR表征发现：MAC-1和MAC-2表面含氧官能团均增多；改性后的MAC-1表面出现了不饱和C-H键的弯曲振动峰和FeOOH的特征吸收峰，改性后的MAC-2表面出现了-CH2的反对称伸缩振动峰和-CH3的对称伸缩振动峰。 （2）pH值、离子强度、可溶性腐殖酸、重金属等对磺胺二甲嘧啶（SMX）和磺胺甲恶唑（SMZ）吸附效果影响实验结果显示：随 pH 值增高，SMX 在活性炭及改性活性炭上的吸附量呈现先增大后减小的趋势，SMZ 在活性炭及改性活性炭上的吸附量呈现减小趋势；离子强度对于活性炭及改性活性炭吸附磺胺类抗生素的影响较小，静电作用不是改性活性炭吸附磺胺类抗生素的主要控制因素；可溶性腐殖酸明显抑制抗生素的吸附，最大抑制浓度（20 mg·L-1）条件下MAC-1和MAC-2对SMX的吸附系数分别减小81.03%和71.74%，对SMZ吸附系数分别减小89.04%和64.12%；Cd2+促进了改性活性炭对SMX的吸附，而Cr6+抑制了对SMX的吸附。 （3）Langmuir模型能较好地拟合MAC-1对磺胺类抗生素的等温吸附过程，MAC-1对SMX和SMZ的Langmuir最大吸附量分别达到17.483 mg·g-1和19.646 mg·g-1；而 Freundlich 能更好地描述 MAC-2 对磺胺类抗生素的等温吸附过程，MAC-2 对 SMZ （KF=12.249 mg1-1/n·L1/n·g-1 ）的吸附强于 SMX （KF=9.190 mg1-1/n·L1/n·g-1）。MAC-1和MAC-2对SMX和SMZ的动力学吸附过程均符合准二级动力学模型，吸附过程可分为 3 个阶段。两种改性活性炭对 SMX 和 SMZ的吸附是放热过程，低温有利于磺胺类抗生素吸附。 （4）通过吸附活化能计算发现 MAC-1 对磺胺类抗生素的吸附以化学吸附为主，通过表征分析推断其吸附机理主要有微孔捕获、氢键作用、π-πEDA作用和配位作用等；MAC-2对磺胺类抗生素的吸附也以化学吸附为主，吸附机理主要有氢键作用和π-πEDA作用等。改性活性炭对SMZ吸附效率较高的原因可能是SMZ的恶唑环与改性活性炭表面苯环之间的疏水作用。 （5）十种磺胺类抗生素在某城市污水厂进水、初沉池出水、生化池出水、二沉池出水以及最终出水中均有检出，其浓度水平分别为 0.09~356.91 ng·L-1、0.08~269.25 ng·L-1、0.07~321.93 ng·L-1、0.05~247.69 ng·L-1、0.06~257.08 ng·L-1。污水处理厂对磺胺类抗生素（甲氧苄氨嘧啶除外）均具有去除作用，且各工段去除差异较大，总去除率为12.15%~60%。改性活性炭（投加量100 mg·L-1）对各工段出水中磺胺类抗生素的去除率介于87.37%~100%。

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