活性炭去除水中的氯霉素

活性炭去除水中的氯霉素，通過磷酸活化制備的活性炭對水中氯霉素的吸附，研究了活性炭對氯霉素的吸附能力和機(jī)制。并且評估在活性炭對氯霉素的主要吸附機(jī)制歸因于π-π電子供體-受體(EDA)相互作用，疏水相互作用以及氫鍵相互作用。此外，活性炭在現(xiàn)實(shí)的水環(huán)境中表現(xiàn)出對氯霉素的高效吸附性能。

氯霉素，是一種普遍的抗生素通常被用作人類抗生素和獸藥，由于其成本低且對許多革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細(xì)菌具有優(yōu)異的抗菌作用從而被廣泛使用。然而，氯霉素有許多危險(xiǎn)的副作用。此外，抗生素耐藥性是濫用氯霉素的另一種風(fēng)險(xiǎn)，這使得由微生物引起的疾病很難或無法治愈。從抗生素生產(chǎn)線廢水排出、水產(chǎn)養(yǎng)殖中非法使用抗生素未經(jīng)過處理或者處理不當(dāng)導(dǎo)致水資源污染。氯霉素可以在地表水，地下水，廢水甚至飲用水中頻繁檢測出。因此，開發(fā)一種有效且具有成本低廉的處理方式來解決氯霉素水體污染是必要和重要的。到目前為止，只有少數(shù)關(guān)于從水或廢水中去除氯霉素的研究報(bào)道，特別是使用多孔碳材料如低成本活性炭。

生物，化學(xué)和物理方法是去除有機(jī)污染物的常規(guī)方法。由于抗菌性質(zhì)，氯霉素不能有效地通過生物降解在傳統(tǒng)的生物處理除去。活性炭作為一個(gè)有前途多孔碳質(zhì)吸附劑，已經(jīng)證明用于除去各種抗生素非凡的吸附能力。本研究的目的是評估用磷酸活化的活性炭和通過其他方法制備的活性炭從水溶液中去除氯霉素的可行性。通過N 2吸附/解吸等溫線，Boehm滴定，XPS分析，批次吸附實(shí)驗(yàn)和解吸實(shí)驗(yàn)來研究活性炭的物理化學(xué)性質(zhì)和氯霉素吸附機(jī)理。

解吸實(shí)驗(yàn)

在0.2-mmol / L氯霉素溶液(pH 6.35)下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。然后，在吸附實(shí)驗(yàn)后立即進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)。將樣品離心，并將活性炭用蒸餾水洗滌以除去未吸收的氯霉素。然后，將活性炭與50mL不同溶液混合：(a)蒸餾水，(b)0.01M NaCl，(c)1M NaCl，(d)0.1M NaOH和(e)95%乙醇。將這些簡單物質(zhì)在120rpm(室溫)下振蕩48小時(shí)。平衡后，過濾樣品并分析氯霉素濃度。所有實(shí)驗(yàn)一式三份進(jìn)行。使用平均值時(shí)相對誤差低于5%。

活性炭的理化性質(zhì)

吸附劑孔隙率是活性炭吸附容量的重要因素。圖1說明了活性炭的N 2吸附/解吸等溫線和孔徑分布。計(jì)算活性炭的結(jié)構(gòu)參數(shù)和產(chǎn)量并總結(jié)在表2中。活性炭的收益率為40.03%。根據(jù)圖2，觀察到IV型等溫線，其在高相對壓力下具有寬滯后環(huán)。活性炭具有混合的微孔和中孔結(jié)構(gòu)。另外，孔徑分布曲線(圖1)顯示活性炭的孔主要位于介孔(2-20nm)范圍內(nèi)。活性炭的平均孔徑為6.37nm。在小號BET為794.8m 2 / g，V tot為1.266cm 3 / g，并且微孔對總孔體積的貢獻(xiàn)為12.2%，這反映了活性炭的主要介孔結(jié)構(gòu)。取決于被吸附物分子的幾何形狀，吸附劑孔隙度可以通過孔隙效應(yīng)(例如孔隙填充或尺寸排阻)影響抗生素的吸附。分子大小與微孔直徑相似的被吸附物將優(yōu)先吸附在活性炭上，當(dāng)孔徑小于分子第二寬度的大約1.7倍時(shí)，尺寸排除效應(yīng)會發(fā)生。中孔的存在可以增加顆粒中吸附分子的擴(kuò)散速率。

圖1.在氯霉素吸附之前活性炭的分子量 和N 2吸附/解吸等溫線(插入)和氯霉素吸附之后的活性炭。孔徑分布由密度泛函理論(DFT)方法確定。

在活性炭上氯霉素的吸附機(jī)理

為了進(jìn)一步了解活性炭吸附氯霉素的機(jī)理，用XPS分析活性炭吸附前后的氯霉素(0.3 mmol / L)。圖2中示出了XPS測量光譜，活性炭吸附之前和之后的氯霉素的O 1s和C 1s峰。由C 1s譜確定的表面官能碳原子的計(jì)算相對含量也列于圖 2c，d中，并且計(jì)算的原子比率總結(jié)。主要的C 1s峰符合以下組的五條曲線：286.6eV的石墨結(jié)構(gòu)，286.2eV的CO(苯酚，醇或醚基)，287eV的C = O(羰基和醚基)，O = 288.7eV處的CO(羧基或酯基)，并且在290.5eV處π->π*躍遷。

活性炭在實(shí)際水環(huán)境中對氯霉素的吸附

在間歇吸附實(shí)驗(yàn)中，活性炭在蒸餾水中具有有效的氯霉素吸附容量。為了評估其在實(shí)際水環(huán)境中的活性炭利用率，還研究了地下水和處理過的廢水中的CAP吸附性能。表1中提供了不同水類型的表征參數(shù)和氯霉素去除效率。地下水含有少量有機(jī)物質(zhì)，總硬度高，離子強(qiáng)度高。活性炭在地下水中的去除效率略低于蒸餾水。離子強(qiáng)度對氯霉素吸附在活性炭上的影響不明顯。在有機(jī)質(zhì)濃度低的情況下，溶解有機(jī)物與氯霉素分子之間的弱競爭導(dǎo)致地下水和蒸餾水中活性炭對氯霉素的吸附能力略有變化。與地下水和蒸餾水相比，處理過的廢水極大地抑制了活性炭對氯霉素的去除。這種抑制可能是由于廢水中溶解有機(jī)物質(zhì)(如腐殖酸，富里酸，可溶性微生物副產(chǎn)物和人為化合物)的濃度相對較高，從而降低了活性炭通過孔隙吸附對氯霉素的吸附能力。考慮到溶解有機(jī)物的復(fù)雜組成，腐殖酸等大分子難以擴(kuò)散到活性炭的孔隙中，堵塞微孔/介孔孔洞，而小于孔徑的分子可能與氯霉素競爭吸附位點(diǎn)。但在處理后的廢水中，活性炭對氯霉素的吸附容量仍然達(dá)到約0.219 mmol / L(70.6 mg / L)，表現(xiàn)出良好的吸附性能。結(jié)果表明活性炭可以成功地用于在現(xiàn)實(shí)的水環(huán)境中吸附氯霉素。

表1. 水種類和去除氯霉素的化學(xué)特性。

在這項(xiàng)工作中，我們成功地開發(fā)了一種低成本的活性炭，其由水生纖維素材料制備，磷酸活化后用于氯霉素抗生素去除。活性炭有大多介孔結(jié)構(gòu)具有相對大的表面面積。Boehm的滴定證明，酸性官能團(tuán)在活性炭表面占主導(dǎo)地位，其含量是堿性官能團(tuán)的兩倍。活性炭對氯霉素的去除效率和吸附性能(137.1mg / g)。氯霉素吸附數(shù)據(jù)擬合了擬二級動(dòng)力學(xué)模型和Freundlich等溫線模型。結(jié)合范德華相互作用和微孔結(jié)構(gòu)的弱相互作用，闡明了幾種氯霉素吸附在活性炭上的機(jī)制，包括π-π電子給體 - 受體(EDA)相互作用，疏水相互作用和氫鍵相互作用。填充效果。在現(xiàn)實(shí)的水環(huán)境中，活性炭仍表現(xiàn)出高的氯霉素去除效率。活性炭被確定為從水溶液中去除氯霉素的經(jīng)濟(jì)且有效的吸附劑。