烷基功能化磁性介孔硅的制备及其对氟喹诺酮类抗生素的吸附

王琦, 胡碧波, 阳春, 李瑞, 张爽. 烷基功能化磁性介孔硅的制备及其对氟喹诺酮类抗生素的吸附[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2450-2462. doi: 10.12030/j.cjee.202001019
引用本文: 王琦, 胡碧波, 阳春, 李瑞, 张爽. 烷基功能化磁性介孔硅的制备及其对氟喹诺酮类抗生素的吸附[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2450-2462. doi: 10.12030/j.cjee.202001019
WANG Qi, HU Bibo, YANG Chun, LI Rui, ZHANG Shuang. Fabrication of alkyl-functionalized magnetic mesoporous silica and its adsorption of fluoroquinolone antibiotics[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2450-2462. doi: 10.12030/j.cjee.202001019
Citation: WANG Qi, HU Bibo, YANG Chun, LI Rui, ZHANG Shuang. Fabrication of alkyl-functionalized magnetic mesoporous silica and its adsorption of fluoroquinolone antibiotics[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2450-2462. doi: 10.12030/j.cjee.202001019

烷基功能化磁性介孔硅的制备及其对氟喹诺酮类抗生素的吸附

    作者简介: 王琦(1994—),男,硕士研究生。研究方向:介孔硅材料的制备等。E-mail:1419841504@qq.com
    通讯作者: 胡碧波(1975—),女,博士,副教授。研究方向:水污染控制理论与技术。E-mail:b.hu@cqu.edu.cn
  • 基金项目:
    重庆市社会事业与民生保障项目(cstc2015shmszx0632,cstc2015shms-ztzx0053)
  • 中图分类号: X703.1

Fabrication of alkyl-functionalized magnetic mesoporous silica and its adsorption of fluoroquinolone antibiotics

    Corresponding author: HU Bibo, b.hu@cqu.edu.cn
  • 摘要: 为了提高介孔硅材料对抗生素的吸附性能和简化材料合成步骤,在纯介孔硅(UMS)的基础上,使用“一锅法”合成了烷基改性介孔硅(FMS)和核壳磁性烷基改性介孔硅(MMS),并系统地研究了这3种吸附剂对恩诺沙星(ENR)、培氟沙星(PEF)和环丙沙星(CIP)3种氟喹诺酮类抗生素(FQs)的吸附性能。批次吸附实验结果表明,改性材料的吸附容量是未改性材料的5倍,且对氟喹诺酮类抗生素具有更高的吸附容量和吸附效率, 对CIP、PEF和ENR的最大吸附容量分别为201.52、275.46和286.35 mg·g−1,并且在10 min内可以达到90%以上的去除率。溶液的pH、腐殖酸浓度和离子强度对吸附过程的影响实验结果表明,MMS在pH为中性时可以达到最大吸附容量,且在高腐殖酸浓度下仍保持较高的吸附容量。回收再生实验结果表明,MMS具有良好的稳定性且吸附剂易于与溶液分离。进一步分析可知,静电作用和疏水作用是3种抗生素与MMS之间吸附的主要驱动力,使得MMS对抗生素具有优异的吸附性能。以上研究结果可为吸附去除污水中抗生素提供参考。
  • 随着污水处理厂污泥排放量的逐渐增加,未脱水剩余污泥给运输、贮存带来诸多问题,如果不能有效处理将会转移到大气、水体和土壤中,带来二次污染[1]。通常,传统机械脱水方式对污泥脱水效果比较有限,需要在机械脱水之前进行污泥调理。

    目前的研究已经使用了几种调节过程以提高污泥脱水性能,包括化学、物理、生物调节过程。丁绍兰等[2]利用CaO2氧化处理污泥;张微[3]利用微生物絮凝剂处理富营养化水体;高明[4]利用壳聚糖絮凝剂调理污泥脱水。以上研究人员均仅单独应用调理剂处理污泥来改善脱水性能。

    本研究采用CaO2与微生物絮凝剂或壳聚糖两两组合的方式调理污泥,并且优化投加顺序,重点研究CaO2与絮凝剂投加顺序对调理污泥改善脱水性能的影响。

    原污泥取自内蒙古呼和浩特某污水厂,取回立即放入冰箱中,4 ℃下静置24 h。实验中所用污泥样品均为弃去上清液后所获得的剩余污泥。

    实验试剂:过氧化钙(CaO2)、壳聚糖等均为分析级试剂,微生物絮凝剂根据张薇[3]的方法分离筛选提取制备。

    实验仪器:激光粒度分析仪(BT-9300S型,丹东百特仪器有限公司),Zeta电位(NanoPlus,麦克默瑞提克仪器有限公司),扫描电子显微镜(日立高新S-4800,日立高新技术公司)。

    分别取一定量CaO2(0.8、1.0、1.2 g·L−1)、微生物絮凝剂(4.0、5.0、6.0 g·L−1)、壳聚糖(4.0、5.0、6.0 g·L−1)于100 mL污泥中,并将盛放污泥的100 mL烧杯置于数显式磁力搅拌器,常温搅拌5 min,随后进行污泥比阻实验。做3组平行实验,实验结果取平均值。

    CaO2、微生物絮凝剂及壳聚糖对污泥脱水性能的影响结果如表1所示。可以看出,CaO2在1.0 g·mL−1污泥脱水效果最佳,微生物絮凝剂和壳聚糖均在5.0 g·mL−1时效果最好。

    表 1  调理及投加量
    Table 1.  Conditioning and dosage
    调理剂调理剂投加量/(g·mL−1)比阻SRF/(1013 m·kg−1)含水率/%
    CaO20.89.9390.06
    1.05.7783.76
    1.210.4392.27
    微生物絮凝剂4.07.1891.04
    5.05.3888.41
    6.011.1490.20
    壳聚糖4.011.0391.48
    5.010.4890.94
    6.013.6192.20
    原泥015.5592.72
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    实验取一定剂量调理剂于100 mL污泥中,最优条件下进行污泥调理。为了分析CaO2和絮凝剂投加顺序对调理污泥的影响,取2种絮凝剂与CaO2相互组合,设置分组如下:原污泥、CaO2-微生物絮凝剂、微生物絮凝剂-CaO2、壳聚糖-CaO2、CaO2-壳聚糖,然后分析样品的脱水性能并研究相关机理,絮凝剂的投加方式如表2所示。

    表 2  调理剂投加方式
    Table 2.  Methods of conditioner dosing
    调理剂投加量/(g·L−1)投加顺序最佳温度/℃
    CaO2微生物絮凝剂壳聚糖
    原泥000300 r·min−1搅拌10 min30
    CaO2-微生物絮凝剂0.10.50CaO2 300 r·min−1搅拌3 min,微生物絮凝剂500 r·min−1搅拌7 min30
    微生物絮凝剂-CaO20.50.10微生物絮凝剂500 r·min−1搅拌7 min,CaO2 300 r·min−1搅拌3 min30
    CaO2-壳聚糖0.100.1CaO2 300 r·min−1搅拌5 min,壳聚糖300 r·min−1搅拌5 min30
    壳聚糖-CaO20.100.1壳聚糖300 r·min−1搅拌5 min,CaO2 300 r·min−1搅拌5 min30
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    影响CaO2调理污泥脱水作用的主要因素是pH[5],故本实验初始pH设置为5、6、7、8和9等5个梯度,考察其对污泥脱水性能的影响。按以上顺序及剂量投加搅拌后,测定对应比阻(SRF)。

    污泥Zeta电位测定。分别将原污泥和不同调理剂处理后的污泥置于50 mL离心试管中,以10 000 r·min−1的转速离心10 min,收集上清液。

    污泥悬浊液粒径分布。使用去离子水将污泥样品稀释后,采用激光粒度分析仪[5]测定污泥粒径分布。

    微观形貌分析。通过扫描电子显微镜(SEM)研究污泥样品的微观形貌特征。

    胞外聚合物(EPS)的提取和测定。将样品置于50 mL离心试管,在3 000 r·min−1离心10 min,收集上清液视为可溶性EPS(S-EPS);加入0.05% NaCl溶液作为缓冲溶液,并轻摇1 min至沉淀完全溶解,在2 kHz超声处理10 min,并将此重悬的溶液在7 000 r·min−1离心10 min,收集离心溶液视为松散结合的EPS(LB-EPS);加入缓冲液并轻摇1 min,至残留沉淀完全溶解,在2 kHz超声处理10 min,并将此重悬的溶液在10 000 r·min−1离心10 min,收集离心上清液视为紧密结合的EPS(TB-EPS)。用蒽酮法测定多糖,改良Folin-Lowry法测定蛋白质[6]

    结合水测定。将一定量调理后的污泥置于100 mL离心试管,在10 000 r·min−1离心15 min,除去上清液称得W1,并在105 ℃烘干到恒重,称得W2,离心之前的重量W0[7]W1/W0W2/W0分别反映不同状态预期结合水的变化。

    调理剂投加顺序对污泥脱水性能的影响结果如图1所示,CaO2与微生物絮凝剂或壳聚糖两两组合调理后污泥的SRF(7.13×1013、12.35×1013、5.84×1013、10.98×1013 m·kg−1)均低于原泥SRF(15.55×1013 m·kg−1);CaO2与微生物絮凝剂及壳聚糖两两组合调理后污泥的含水率分别为79.18%、82.41%、80.47%、89.74%,而原污泥的含水率高达92.72%。由此可见,CaO2联合絮凝剂作用的污泥与原泥相比具有更好的脱水性能。由图1可以看出,SRF(CaO2-微生物絮凝剂)<SRF(微生物絮凝剂-CaO2)<SRF(原泥),SRF(CaO2-壳聚糖)<SRF(壳聚糖-CaO2)<SRF(原泥),由此可见,CaO2投加顺序对污泥脱水的影响较大,CaO2在水中会缓慢生成H2O2和O2,是一种安全性高且通用的氧化剂;同时,生成的Ca2+还有助于助凝作用,经计算,在絮凝剂与CaO2的最佳投加比例下,生成的Ca2+完全可以满足絮凝剂对助凝剂投加量的需求。因此,经过CaO2-絮凝剂调节的污泥比絮凝剂-CaO2调节的污泥具有更好的脱水性能。

    图 1  不同调理剂组合对污泥脱水的影响
    Figure 1.  Effects of different combinations ofconditioning agents on sludge dewatering

    初始pH对污泥脱水性能的影响如图2所示。CaO2-壳聚糖调理污泥在pH为5最佳、CaO2-微生物絮凝剂调理污泥的最佳pH为7、微生物絮凝剂-CaO2、壳聚糖-CaO2调理污泥pH均在6为最佳。WU等[8]证明在偏酸性环境中,CaO2可在数小时内完全反应,但当pH超过8时,需要几天乃至几十天才可以反应完全。CaO2反应属于放热反应,随pH的增大,放热逐渐降低,pH越高,越不利于CaO2的反应。因此,pH是研究CaO2作为调理剂的主要因素。在最佳pH时,SRF(CaO2-微生物絮凝剂)<SRF(微生物絮凝剂-CaO2),SRF(CaO2-壳聚糖)<SRF(壳聚糖-CaO2),由此可见,在最佳条件下,经过CaO2-絮凝剂调节的污泥比絮凝剂-CaO2调节的污泥脱水性能更好。

    图 2  pH对污泥脱水的影响
    Figure 2.  Effects of pH on sludge dewatering

    污泥Zeta电位分析结果如图3所示,原污泥电位为−6.18 mV,调理后污泥的电位分布如下:微生物絮凝剂-CaO2为−5.43 mV、壳聚糖-CaO2为−4.58 mV、CaO2-微生物絮凝剂为−1.03 mV、CaO2-壳聚糖为−4.07 mV。根据DLOV理论,Zeta电位越接近0 mV,污泥颗粒脱水性能越好。因此,由以上数据可知,CaO2-絮凝剂对污泥脱水的调理效果最好。本结果与CAO等[9]的研究结果一致,通常情况下,污泥颗粒之间会因为带有相同电荷而排斥,形成相对稳定的胶体态系统,不利于污泥颗粒的脱水性能[10]。因此,减少污泥表面电荷,使污泥颗粒间脱稳凝聚,也被作为改善污泥脱水性能的一种手段。如果先添加CaO2,会使溶液中离子浓度增高,再添加絮凝剂,会使颗粒之间由于絮凝作用相互靠近,扩散层厚度被减小,Zeta电位降低。

    图 3  不同调理剂组合对污泥Zeta电位的影响
    Figure 3.  Effects of different conditioning agent combinations on the zeta potential of sludge

    将各污泥中粒径视为不同调理剂处理后的粒径分布如图4所示,调理后污泥的粒径分布结果为CaO2-微生物絮凝剂(33.73 μm)>微生物絮凝剂-CaO2(32.97 μm)>原泥(30.92 μm);CaO2-壳聚糖(31.65 μm)>壳聚糖-CaO2(31.10 μm)>原泥(30.92 μm),以上2组数据均表明CaO2在絮凝剂之前投加污泥颗粒更大。产生以上结果的原因可能是,污泥EPS中的大分子聚合物会因CaO2的氧化作用转化为低分子质量物质,污泥絮体会在一定程度上发生裂解,导致污泥絮体粒径逐渐减小,絮凝剂使污泥颗粒在桥接、沉淀网捕以及电中和的作用下迅速聚集成更大的颗粒[11]。随着反应时间的延长,压缩双电层所引起的聚集体会因为发生水分剥离使絮凝物尺寸逐渐减小。当聚集的速率与断裂的速率达到平衡时,絮体粒径大小达到稳定[12]。通过比较图4所得数据,表明CaO2-絮凝剂对污泥脱水调理效果更好。

    图 4  不同调理剂组合对污泥粒度分布的影响
    Figure 4.  Effects of different conditioning agent combinations on particle size distribution of sludge

    图5(a)为原污泥的扫描电镜微观形貌图,可以看出,原污泥表面为紧密结合且相对光滑的层状结构,孔隙较少。图5(b)为微生物絮凝剂-CaO2调理后污泥的扫描电镜微观形貌图,可以看出,污泥絮体出现裂痕,表面变得疏松凹凸而不规则,但没有出现较多较大孔隙。图5(c)为污泥在CaO2-微生物絮凝剂调理的扫描电镜微观形貌图,可以看出,污泥絮体表面粗糙不平且由无数小的团状结构聚集组成,出现较多较大孔隙。上述实验结果出现差异的原因可能为:在图5(b)中,污泥在絮凝剂的作用下先絮凝成一个更加密实的整体,将水分牢牢锁住,即使CaO2的氧化作用使污泥表面发生裂解,絮体出现裂痕,也没有形成较多的孔隙[13];在图5(c)中,先投加CaO2,污泥层状结构会在氧化作用下发生裂解破碎形成不规则的小絮体,即使絮凝剂重新团聚组装,也无法拼接成一个密实的整体。由此可见CaO2在絮凝剂之前投加对污泥结构破坏更彻底。

    图 5  原污泥和调理后污泥的扫描电镜图
    Figure 5.  Scanning electron micrograph images of raw and conditioned sludge

    不同调理剂组合对污泥胞外聚合物(EPS)的蛋白质和多糖含量的影响如图6所示。糖类和蛋白质的可溶性胞外聚合物(S-EPS)变化基本一致:CaO2-微生物絮凝剂>CaO2-壳聚糖>壳聚糖-CaO2>微生物絮凝剂-CaO2>原泥。结合蛋白质(LB-EPS、TB-EPS)变化:原泥>壳聚糖-CaO2>微生物絮凝剂-CaO2>CaO2-壳聚糖>CaO2-微生物絮凝剂。结合糖类(LB-EPS、TB-EPS)变化:原泥>壳聚糖-CaO2>微生物絮凝剂-CaO2>CaO2-微生物絮凝剂>CaO2-壳聚糖。由此可知,调理剂处理过后的可溶性糖类和可溶性蛋白质的浓度增加,而结合的糖类和蛋白质却呈相反趋势。归纳数据表明CaO2-絮凝剂具有更好的破坏污泥絮凝物的效果。这与已有研究[14-15]的结论一致:在非稳态的运行条件下,污泥的絮凝性、沉降性、压缩性和脱水性与S-EPS的含量呈正相关,而与LB-EPS、TB-EPS的含量。因此,先投加CaO2对污泥脱水性更好。

    图 6  不同调理剂组合对污泥胞外聚合物(EPS)的蛋白质和多糖含量的影响
    Figure 6.  Effects of different conditioning agents on protein and polysaccharide content in extracellular polymer (EPS) of sludge

    结合水分析实验结果(如图7所示),湿泥饼与烘干到恒重的干泥饼在离心处理过后,结合水的变化趋势是一致的,均为CaO2-微生物絮凝剂<CaO2-壳聚糖<微生物絮凝剂-CaO2<壳聚糖-CaO2<原泥,实验结果与前面胞外聚合物及扫描电镜的分析结果一致。CaO2的氧化作用使污泥发生裂解破碎,絮凝剂的絮凝作用会使污泥团聚、锁住一部分水分。综上所述,CaO2在絮凝剂之前投加,CaO2的氧化作用会使污泥的Zeta电位更接近0 mV、污泥颗粒更大、污泥的产生较多较大孔隙、污泥絮体和细胞结构被破坏更彻底,在调解过程中更多结合水被释放,因此,先投加CaO2有助于破坏细胞壁以及溶解EPS,更好地改善污泥脱水性能。

    图 7  调理后污泥离心后结合水含量变化的影响
    Figure 7.  Change in bound water content of conditioned sludge after centrifugation

    1)调理剂投加顺序按照先加0.1 g·mL−1CaO2、后加0.5 g·mL−1微生物絮凝剂或壳聚糖污泥,脱水效果最好。它的含水率降低20%左右,比阻值分别为7.13×1013 m·kg−1和5.84×1013 m·kg−1

    2)通过扫描电子显微镜(SEM)、Zeta电位、污泥颗粒测试分析,CaO2在微生物絮凝剂或者壳聚糖之前投加,污泥的层状结构被裂解破碎,形成更小颗粒,电位更接近于0 mV,污泥脱水效果更好。

    3)污泥EPS含量的检定结果显示,CaO2-微生物絮凝剂或者CaO2-壳聚糖处理污泥后,可溶性糖类和可溶性蛋白质的浓度增加,而结合的糖类、蛋白质以及结合水含量明显降低。这表明CaO2在微生物絮凝剂或者壳聚糖之前投加对降低污泥含水率更有效。

  • 图 1  3种材料的傅里叶红外光谱

    Figure 1.  FT-IR spectra of three materials

    图 2  N2吸附-脱附等温线和孔径分布(内嵌图)

    Figure 2.  N2 sorption-desorption isotherms and pore size distribution (the inset)

    图 3  MMS的TEM和SEM图像

    Figure 3.  TEM and SEM images of MMS

    图 4  Fe3O4和 MMS的磁滞回线图

    Figure 4.  VSM of the Fe3O4 and MMS

    图 5  3种材料的小角和广角(内嵌图)XRD图

    Figure 5.  XRD patterns of low-angle and wide-angle(the inset) of synthesized materials

    图 6  MMS吸附3种抗生素的动力学拟合

    Figure 6.  Adsorption kinetics fitting of three FQs on MMS

    图 7  MMS吸附3种抗生素的等温线拟合

    Figure 7.  Adsorption isotherm model fitting of three FQs on MMS

    图 8  FQs的离子形态分布与pH的关系

    Figure 8.  Species distribution of FQs as a function of pH

    图 9  pH和Zeta电位对吸附的影响

    Figure 9.  Effect of pH and Zeta potential on adsorption

    图 10  腐殖酸浓度对吸附的影响

    Figure 10.  Effect of humic acid concentration on adsorption

    图 11  离子强度对吸附的影响

    Figure 11.  Effect of ionic strength on adsorption

    图 12  循环次数对吸附的影响

    Figure 12.  Effect of recycling number on adsorption

    表 1  3种氟喹诺酮类抗生素的理化性质

    Table 1.  Physicochemical properties of three fluoroquinolones

    抗生素分子式分子质量/Da一级解离常数pKa1二级解离常数pKa2
    ENRC19H22FN3O3359.465.57.2
    PEFC17H20FN3O3333.355.57.1
    CIPC17H18FN3O3331.345.68.8
    抗生素分子式分子质量/Da一级解离常数pKa1二级解离常数pKa2
    ENRC19H22FN3O3359.465.57.2
    PEFC17H20FN3O3333.355.57.1
    CIPC17H18FN3O3331.345.68.8
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    表 2  合成材料的结构参数

    Table 2.  Textural parameters of the synthesized materials

    吸附剂BET比表面积/(m2·g−1)孔容/(cm3·g−1)孔径/nm
    UMS805.011.396.79
    FMS462.210.947.79
    MMS1 104.711.304.58
    吸附剂BET比表面积/(m2·g−1)孔容/(cm3·g−1)孔径/nm
    UMS805.011.396.79
    FMS462.210.947.79
    MMS1 104.711.304.58
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    表 3  MMS吸附抗生素的伪一级和伪二级动力学模型参数

    Table 3.  Kinetic parameters of the pseudo-first-order model, pseudo-second-order model for FQs adsorption

    抗生素伪一级动力学模型伪二级动力学模型
    qe/(mg·g−1)k1/min−1R2qe/(mg·g−1)k1/(g·(mg·min)−1)R2
    CIP95.960.720.968 599.700.014 90.994 5
    PEF133.030.340.953 8140.750.004 20.993 1
    ENR142.480.460.976 2149.210.005 80.998 2
    抗生素伪一级动力学模型伪二级动力学模型
    qe/(mg·g−1)k1/min−1R2qe/(mg·g−1)k1/(g·(mg·min)−1)R2
    CIP95.960.720.968 599.700.014 90.994 5
    PEF133.030.340.953 8140.750.004 20.993 1
    ENR142.480.460.976 2149.210.005 80.998 2
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    表 4  MMS吸附3种抗生素的等温吸附模型参数

    Table 4.  Isothermal adsorption model parameters for adsorption of three FQs on MMS

    抗生素Langmuir 模型Freundlich 模型
    qm/(mg·g−1)kLR2kFnR2
    CIP201.520.120.995 467.015.860.975 8
    PEF275.460.180.994 6106.534.720.976 1
    ENR286.350.310.994 3137.144.200.971 5
    抗生素Langmuir 模型Freundlich 模型
    qm/(mg·g−1)kLR2kFnR2
    CIP201.520.120.995 467.015.860.975 8
    PEF275.460.180.994 6106.534.720.976 1
    ENR286.350.310.994 3137.144.200.971 5
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    表 5  MMS与其他材料的吸附效果对比

    Table 5.  Comparison of the adsorption ability between MMS and other materials

    吸附剂吸附质pH平衡时间/hqm/(mg·g−1)来源
    石墨烯-钛纳米管ENR5.05.013.40[31]
    多壁碳纳米管PEF7.02.045.16 [33]
    纳米氧化石墨烯CIP6.50.52.22[34]
    改性NiFe2O4中孔微球ENR5.01.01.71[35]
    改性NiFe2O4中孔微球CIP5.01.01.72[35]
    改性MS-NiFe2O4中孔微球ENR5.01.014.49[35]
    改性MS-NiFe2O4中孔微球CIP5.01.014.45[35]
    改性磁性生物质炭ENR3.012.07.19[36]
    改性磁性生物质炭PEF3.012.06.94[36]
    改性磁性生物质炭CIP3.012.08.37[36]
    多巴胺改性磁性纳米材料CIP7.04.016.5[37]
    烷基改性磁性介孔硅ENR6.00.5286.35本研究
    烷基改性磁性介孔硅PEF6.00.5275.46本研究
    烷基改性磁性介孔硅CIP7.00.5201.52本研究
    吸附剂吸附质pH平衡时间/hqm/(mg·g−1)来源
    石墨烯-钛纳米管ENR5.05.013.40[31]
    多壁碳纳米管PEF7.02.045.16 [33]
    纳米氧化石墨烯CIP6.50.52.22[34]
    改性NiFe2O4中孔微球ENR5.01.01.71[35]
    改性NiFe2O4中孔微球CIP5.01.01.72[35]
    改性MS-NiFe2O4中孔微球ENR5.01.014.49[35]
    改性MS-NiFe2O4中孔微球CIP5.01.014.45[35]
    改性磁性生物质炭ENR3.012.07.19[36]
    改性磁性生物质炭PEF3.012.06.94[36]
    改性磁性生物质炭CIP3.012.08.37[36]
    多巴胺改性磁性纳米材料CIP7.04.016.5[37]
    烷基改性磁性介孔硅ENR6.00.5286.35本研究
    烷基改性磁性介孔硅PEF6.00.5275.46本研究
    烷基改性磁性介孔硅CIP7.00.5201.52本研究
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  • [1] CARTER D L, DOCHERTY K M, GILL S A, et al. Antibiotic resistant bacteria are widespread in songbirds across rural and urban environments[J]. Science of the Total Environment, 2018, 627: 1234-1241. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.01.343
    [2] HUANG P, GE C J, FENG D, et al. Effects of metal ions and pH on ofloxacin sorption to cassava residue-derived biochar[J]. Science of the Total Environment, 2018, 616-617: 1384-1391. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.10.177
    [3] WANG L, QIANG Z M, LI Y G, et al. An insight into the removal of fluoroquinolones in activated sludge process: Sorption and biodegradation characteristics[J]. Journal of Environmental Sciences, 2017, 56: 263-271. doi: 10.1016/j.jes.2016.10.006
    [4] 张延, 严晓菊, 孙越, 等. 中国抗生素滥用现状及其在环境中的分布情况[J]. 当代化工, 2019, 48(11): 2660-2662. doi: 10.3969/j.issn.1671-0460.2019.11.054
    [5] 廖全山. 我国抗生素滥用现状、原因及对策综述[J]. 世界最新医学信息文摘, 2016, 57(16): 41-42.
    [6] BU Q W, WANG B, HUANG J, et al. Pharmaceuticals and personal care products in the aquatic environment in China: A review[J]. Journal of Hazardous Materials, 2013, 262: 189-211. doi: 10.1016/j.jhazmat.2013.08.040
    [7] 张海璇, 刘娟, 欧桦瑟. 紫外-过硫酸盐降解水中环丙沙星动力学和效果[J]. 水处理技术, 2017, 43(5): 43-47.
    [8] 刘欣然, 李明雪, 张博, 等. 纤维素复合膜吸附处理盐酸环丙沙星[J]. 现代化工, 2019, 39(6): 166-171.
    [9] AHMED M J, THEYDAN S K. Fluoroquinolones antibiotics adsorption onto microporous activated carbon from lignocellulosic biomass by microwave pyrolysis[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2014, 45(1): 219-226. doi: 10.1016/j.jtice.2013.05.014
    [10] YAO H, LU J, WU J, et al. Adsorption of fluoroquinolone antibiotics by wastewater sludge biochar: Role of the sludge source[J]. Water, Air & Soil Pollution, 2013, 224(1): 1370-1378.
    [11] YU F, LI Y, HAN S, et al. Adsorptive removal of antibiotics from aqueous solution using carbon materials[J]. Chemosphere, 2016, 153: 365-385. doi: 10.1016/j.chemosphere.2016.03.083
    [12] 王吻, 马秀兰, 顾芳宁, 等. 生物质炭及草炭吸附模拟废水中恩诺沙星特性的研究[J]. 中国抗生素杂志, 2019, 44(7): 880-886. doi: 10.3969/j.issn.1001-8689.2019.07.019
    [13] WANG W, CHENG J D, JIN J, et al. Effect of humic acid on ciprofloxacin removal by magnetic multifunctional resins[J]. Scientific Reports, 2016, 6(1): 30331. doi: 10.1038/srep30331
    [14] TANG Y L, GUO H G, XIAO L, et al. Synthesis of reduced graphene oxide/magnetite composites and investigation of their adsorption performance of fluoroquinolone antibiotics[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2013, 424: 74-80.
    [15] WU G G, MA J P, LI J H, et al. Magnetic copper-based metal organic framework as an effective and recyclable adsorbent for removal of two fluoroquinolone antibiotics from aqueous solutions[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2018, 528: 360-371. doi: 10.1016/j.jcis.2018.05.105
    [16] GIBSON L T. Mesosilica materials and organic pollutant adsorption: Part B. Removal from aqueous solution[J]. Chemical Society Reviews, 2014, 43(15): 5173-5182. doi: 10.1039/C3CS60095E
    [17] DIAGBOYA P N, OLU-OWOLABI B I, ADEBOWALE K O. Microscale scavenging of pentachlorophenol in water using amine and tripolyphosphate-grafted SBA-15 silica: Batch and modeling studies[J]. Journal of Environmental Management, 2014, 146: 42-49.
    [18] KIM Y, LEE B, CHOO K, et al. Selective adsorption of bisphenol A by organic-inorganic hybrid mesoporous silicas[J]. Microporous and Mesoporous Materials, 2011, 138(1/2/3): 184-190.
    [19] WALCARIUS A, MERCIER L. Mesoporous organosilica adsorbents: Nanoengineered materials for removal of organic and inorganic pollutants[J]. Journal of Materials Chemistry, 2010, 20(22): 4478-4511. doi: 10.1039/b924316j
    [20] GAO J S, ZHANG X Y, XU S T, et al. Clickable SBA-15 to screen functional groups for adsorption of antibiotics[J]. Chemistry, 2014, 9(3): 908-914.
    [21] LI Z B, HUANG D N, FU C, et al. Preparation of magnetic core mesoporous shell microspheres with C18-modified interior pore-walls for fast extraction and analysis of phthalates in water samples[J]. Journal of Chromatography A, 2011, 1218(37): 6232-6239. doi: 10.1016/j.chroma.2011.06.109
    [22] KONG A, WANG P, ZHANG H Q, et al. One-pot fabrication of magnetically recoverable acid nanocatalyst, heteropolyacids/chitosan/Fe3O4, and its catalytic performance[J]. Applied Catalysis A: General, 2012, 417-418: 183-189. doi: 10.1016/j.apcata.2011.12.040
    [23] CIRIMINNA R, SCIORTINO M, Alonzo G, et al. From molecules to systems: Sol-gel microencapsulation in silica-based materials[J]. Chemical Reviews, 2011, 111(2): 765-789. doi: 10.1021/cr100161x
    [24] BOUKOUSSA B, ZEGHADA S, ABABSA G B, et al. Catalytic behavior of surfactant-containing-MCM-41 mesoporous materials for cycloaddition of 4-nitrophenyl azide[J]. Applied Catalysis A: General, 2015, 489: 131-139. doi: 10.1016/j.apcata.2014.10.022
    [25] ZHANG X L, ZENG T, WANG S H, et al. One-pot synthesis of C18-functionalized core-shell magnetic mesoporous silica composite as efficient sorbent for organic dye[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2015, 448: 189-196. doi: 10.1016/j.jcis.2015.02.029
    [26] ZHU L F, ZHU R L. Surface structure of CTMA+ modified bentonite and their sorptive characteristics towards organic compounds[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2008, 320(1/2/3): 19-24.
    [27] HAN S H, XU J, HOU W G, et al. Synthesis of high-quality MCM-48 mesoporous silica using gemini surfactant dimethylene-1, 2-bis (dodecyl dimethylammonium bromide)[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2004, 108(39): 15043-15048. doi: 10.1021/jp0477093
    [28] LIU A M, HIDAJAT K, KAWI S, et al. A new class of hybrid mesoporous materials with functionalized organic monolayers for selective adsorption of heavy metal ions[J]. Chemical Communications, 2000, 13: 1145-1146. doi: 10.1039/b002661l
    [29] NIU D, MA Z, LI Y S, et al. Synthesis of core-shell structured dual-mesoporous silica spheres with tunable pore size and controllable shell thickness[J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(43): 15144-15147. doi: 10.1021/ja1070653
    [30] XIA X R, MONTEIRO-RIVIERE N A, MATHUR S, et al. Mapping the surface adsorption forces of nanomaterials in biological systems[J]. ACS Nano, 2011, 5(11): 9074-9081. doi: 10.1021/nn203303c
    [31] ANIRUDHAN T S, SHAINY F, CHRISTA J. Synthesis and characterization of polyacrylic acid-grafted-carboxylic graphene/titanium nanotube composite for the effective removal of enrofloxacin from aqueous solutions: Adsorption and photocatalytic degradation studies[J]. Journal of Hazardous Materials, 2017, 324(Pt B): 117-130.
    [32] 桂洪杰, 周亮, 马嫱, 等. 不同吸附模型分析天然有机物的吸附特征[J]. 化学工程师, 2019, 33(5): 85-90.
    [33] CHEN B L, ZHU L Z, ZHU J X, et al. Configurations of the bentonite-sorbed myristylpyridinium cation and their influences on the uptake of organic compounds[J]. Environmental Science & Technology, 2005, 39(16): 6093-6100.
    [34] ALICANOGLU P, SPONZA D T. Removal of ciprofloxacin antibiotic with nano graphene oxide magnetite composite: Comparison of adsorption and photooxidation processes[J]. Desalination and Water Treatment, 2017, 63: 293-307. doi: 10.5004/dwt.2017.20176
    [35] LIU X Y, LIU M Y, ZHANG L. Co-adsorption and sequential adsorption of the co-existence four heavy metal ions and three fluoroquinolones on the functionalized ferromagnetic 3D NiFe2O4 porous hollow microsphere[J]. Journal of Hazardous Materials, 2018, 511: 135-144.
    [36] LI R N, WANG Z W, ZHAO X T, et al. Magnetic biochar-based manganese oxide composite for enhanced fluoroquinolone antibiotic removal from water[J]. Environment Science and Pollution Research, 2018, 25: 1136-1148.
    [37] MALIK R, GOYAL A, YADAV S, et al. Functionalized magnetic nanomaterials for rapid and effective adsorptive removal of fluoroquinolones: Comprehensive experimental cum computational investigations[J]. Journal of Hazardous Materials, 2019, 364: 621-634. doi: 10.1016/j.jhazmat.2018.10.058
    [38] LI H B, ZHANG D, HAN X Z, et al. Adsorption of antibiotic ciprofloxacin on carbon nanotubes: pH dependence and thermodynamics[J]. Chemosphere, 2014, 95: 150-155. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.08.053
    [39] GU C, KARTHIKEYAN K G. Sorption of the antimicrobial ciprofloxacin to aluminum and iron hydrous oxides[J]. Environmental Science & Technology, 2005, 39(23): 9166-9173.
    [40] YAN W, HU S, JING C Y. Enrofloxacin sorption on smectite clays: Effects of pH, cations, and humic acid[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2012, 372(1): 141-147. doi: 10.1016/j.jcis.2012.01.016
    [41] YAN W, ZHANG J F, JING C Y. Adsorption of Enrofloxacin on montmorillonite: Two-dimensional correlation ATR/FTIR spectroscopy study[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2013, 390(1): 196-203. doi: 10.1016/j.jcis.2012.09.039
    [42] ZHOU Q X, OUYANG S, AO Z, et al. Integrating biolayer interferometry, atomic force microscopy, and density functional theory calculation studies on the affinity between humic acid fractions and graphene oxide[J]. Environmental Science & Technology, 2019, 53(7): 3773-3781.
    [43] YAO N, LI C, YU J Y, et al. Insight into adsorption of combined antibiotic-heavy metal contaminants on graphene oxide in water[J]. Separation and Purification Technology, 2019, 236: 116278.
    [44] TONG X, LI Y X, ZHANG F S, et al. Adsorption of 17β-estradiol onto humic-mineral complexes and effects of temperature, pH, and bisphenol A on the adsorption process[J]. Environmental Pollution, 2019, 254: 112924. doi: 10.1016/j.envpol.2019.07.092
    [45] AÇIŞLI Ö, KARACA S, GÜRSES A. Investigation of the alkyl chain lengths of surfactants on their adsorption by montmorillonite (Mt) from aqueous solutions[J]. Applied Clay Science, 2017, 142: 90-99. doi: 10.1016/j.clay.2016.12.009
    [46] YANG C, WU S C, CHENG J H, et al. Indium-based metal-organic framework/graphite oxide composite as an efficient adsorbent in the adsorption of rhodamine B from aqueous solution[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 687: 804-812. doi: 10.1016/j.jallcom.2016.06.173
    [47] ERSAN G, APUL O G, PERREAULT F, et al. Adsorption of organic contaminants by graphene nanosheets: A review[J]. Water Research, 2017, 126: 385-398. doi: 10.1016/j.watres.2017.08.010
    [48] PENG X M, HU F P, ZHANG T, et al. Amine-functionalized magnetic bamboo-based activated carbon adsorptive removal of ciprofloxacin and norfloxacin: A batch and fixed-bed column study[J]. Bioresource Technology, 2018, 249: 924-934. doi: 10.1016/j.biortech.2017.10.095
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-05
  • 录用日期:  2020-03-28
  • 刊出日期:  2020-09-10
王琦, 胡碧波, 阳春, 李瑞, 张爽. 烷基功能化磁性介孔硅的制备及其对氟喹诺酮类抗生素的吸附[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2450-2462. doi: 10.12030/j.cjee.202001019
引用本文: 王琦, 胡碧波, 阳春, 李瑞, 张爽. 烷基功能化磁性介孔硅的制备及其对氟喹诺酮类抗生素的吸附[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2450-2462. doi: 10.12030/j.cjee.202001019
WANG Qi, HU Bibo, YANG Chun, LI Rui, ZHANG Shuang. Fabrication of alkyl-functionalized magnetic mesoporous silica and its adsorption of fluoroquinolone antibiotics[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2450-2462. doi: 10.12030/j.cjee.202001019
Citation: WANG Qi, HU Bibo, YANG Chun, LI Rui, ZHANG Shuang. Fabrication of alkyl-functionalized magnetic mesoporous silica and its adsorption of fluoroquinolone antibiotics[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2450-2462. doi: 10.12030/j.cjee.202001019

烷基功能化磁性介孔硅的制备及其对氟喹诺酮类抗生素的吸附

    通讯作者: 胡碧波(1975—),女,博士,副教授。研究方向:水污染控制理论与技术。E-mail:b.hu@cqu.edu.cn
    作者简介: 王琦(1994—),男,硕士研究生。研究方向:介孔硅材料的制备等。E-mail:1419841504@qq.com
  • 1. 重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆 400045
  • 2. 重庆大学,三峡库区环境与生态部重点实验室,重庆 400045
基金项目:
重庆市社会事业与民生保障项目(cstc2015shmszx0632,cstc2015shms-ztzx0053)

摘要: 为了提高介孔硅材料对抗生素的吸附性能和简化材料合成步骤,在纯介孔硅(UMS)的基础上,使用“一锅法”合成了烷基改性介孔硅(FMS)和核壳磁性烷基改性介孔硅(MMS),并系统地研究了这3种吸附剂对恩诺沙星(ENR)、培氟沙星(PEF)和环丙沙星(CIP)3种氟喹诺酮类抗生素(FQs)的吸附性能。批次吸附实验结果表明,改性材料的吸附容量是未改性材料的5倍,且对氟喹诺酮类抗生素具有更高的吸附容量和吸附效率, 对CIP、PEF和ENR的最大吸附容量分别为201.52、275.46和286.35 mg·g−1,并且在10 min内可以达到90%以上的去除率。溶液的pH、腐殖酸浓度和离子强度对吸附过程的影响实验结果表明,MMS在pH为中性时可以达到最大吸附容量,且在高腐殖酸浓度下仍保持较高的吸附容量。回收再生实验结果表明,MMS具有良好的稳定性且吸附剂易于与溶液分离。进一步分析可知,静电作用和疏水作用是3种抗生素与MMS之间吸附的主要驱动力,使得MMS对抗生素具有优异的吸附性能。以上研究结果可为吸附去除污水中抗生素提供参考。

English Abstract

  • 抗生素是一类新兴污染物[1]。氟喹诺酮类抗生素(FQs)广泛用于人和动物的治疗[2-3],通过制药企业和污水处理厂排放进入水环境且以痕量浓度存在(ng·L−1~μg·L−1)[4-6],因其近年来在环境水体中被频繁检出而日益被关注。目前,FQs的去除主要采用各种物理化学方法,如高级氧化[7]、生物降解[8]、膜过滤[9]、吸附[10]等。与其他方法相比,吸附法具有成本低、操作简单、无有害副产物等优点,被认为是最有效的去除方法之一。FQs具有疏水性官能团、氢键受体和供体,在水中以离子形态存在,因此,疏水作用、氢键作用和静电相互作用是吸附去除FQs的主要机制。YAO等[10]利用污泥物化处理得到的衍生物质来吸附氟喹诺酮类抗生素,但是处理过后的生物质材料比表面积和孔容较小,导致吸附容量和吸附效率较低。多壁碳纳米管[11]、生物质炭[12]、树脂[13]、石墨烯[14]、MOFs[15]及其改性产物已被报道用于去除FQs,但因吸附容量有限、效率偏低、无选择性、吸附剂分离回收难等缺点限制了其广泛应用。研制解决上述缺点的高效吸附剂将是未来吸附技术发展的主要方向。

    有序介孔硅材料以其独特的孔道结构、均匀的孔径分布、高比表面积、化学惰性以及易修饰的孔道内表面等优点[16],在给水处理和废水处理中受到越来越多的关注。有序介孔硅材料的孔道内表面能提供大量的修饰位点,可以根据不同污染物的特性进行选择性修饰[17-18],并可以通过氢键作用、静电作用和亲疏水作用来去除水中各种有机污染物[19],因而被认为是一种很有前景的吸附剂。GAO等[20]合成了多种功能化介孔硅用于吸附环丙沙星,但无法实现从水中分离回收。CARTER等[1]和WANG等[3]合成了具有较高吸附能力的功能化磁性介孔硅,以去除水中的有机污染物,但合成材料的步骤却较为复杂。

    本研究采用“一锅法”成功地制备了功能化磁性介孔硅,并首次将其用于对FQs的吸附去除。利用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、振动样品磁力计(VSM)、Zeta电位分析、N2吸附-脱附等温线等手段对功能化磁性介孔硅进行了分析表征,并通过分析吸附等温线、动力学参数,系统探讨了功能化磁性介孔硅去除ENR、PEF和CIP的吸附机理。该改性介孔硅材料可通过简便的方法合成,并易于通过磁铁进行分离,对FQs具有较高的吸附容量和吸附效率,该研究为吸附去除污水中抗生素提供了参考。

  • 二十二烷基三甲基氯化铵(C25H54ClN,99%)购自上海市源叶生物科技有限公司;六水合氯化铁(FeCl3· 6H2O,分析纯)、四水合氯化亚铁(FeCl2· 4H2O,分析纯)、硝酸铵(NH4NO3,分析纯)、氢氧化钠(NaOH,分析纯)和无水乙醇(C2H5OH,分析纯)、腐殖酸(HA,分析纯)均由重庆市川东化工有限公司提供。去离子水(18.25 Ω·cm−1)为实验室自制。正硅酸乙酯(TEOS,99%)、十二烷基三乙氧基硅烷(C18H40O3Si, 95%)、恩诺沙星(ENR,98%)、培氟沙星(PEF,99%)和环丙沙星(CIP,98%)均购自上海市阿拉丁生化科技股份有限公司。3种抗生素的理化性质如表1所示。

  • 烷基功能化磁性介孔硅复合材料采用改进的“一锅法”[21-22]制备。首先,将0.25 g二十二烷基三甲基氯化铵和0.1 g NaOH加入含有蒸馏水和无水乙醇(200 mL, 体积比为1∶3)的混合溶液中,在85 °C下搅拌30 min,同时通入氮气以排除溶液中的氧气。随后,滴加5.0 mL FeCl3·6H2O和FeCl2·4H2O的混合溶液,在85 °C下剧烈搅拌30 min。待反应溶液温度降低至60 °C时,加入60 mL无水乙醇,以得到合适的溶胶-凝胶反应体系[23]。获得的反应体系用超声处理20 min,并加入0.6 mL TEOS和0.6 mL十二烷基三乙氧基硅烷,继续搅拌30 min后,将反应混合物冷却至室温。用磁铁分离出沉淀物,并将其加入NH4NO3和乙醇(95%)混合液中,在60 °C下,搅拌30 min以脱除模板剂,过滤收集固体。将所收集的固体材料用去离子水和乙醇冲洗至中性,并在60 °C的真空环境中干燥6 h,得到0.32 g烷基改性磁性介孔硅MMS灰色固体,2步总收率为55.4%。

  • 采用SEM(FEG-SEM JSM-7200F)和TEM(FEI Teanci G2 F20)表征和分析MMS复合材料的微观结构和表面形态;采用FT-IR(FT-IR, NICOLET 380)检测材料的红外光谱;使用微观表面积和孔隙率分析仪(Micromeritics ASAP 2020)测量材料的氮气吸附等温线,并计算孔体积、BJH孔径和BET比表面积;磁滞回线由VSM(Lake Shore,VSM 7307)测定;使用Malvern Zeta分析仪(Nano-ZS 90)检测MMS的Zeta电位。

  • ENR、PEF和CIP标准品溶于滴加有盐酸的去离子水中以制备各自的储备溶液,并用去离子水稀释获得其工作溶液。为了研究UMS、FMS和MMS 3种不同的吸附材料对上述3种FQs的吸附特性,取1.5 mg吸附剂添加到聚四氟乙烯小瓶中(V=50 mL),加入30.0 mL初始浓度为10 mg·L−1的工作溶液,将溶液pH调整为7.0。在25 °C条件下,放入摇床振荡,振荡速度为180 r·min−1。在样品进入液相色谱分析仪之前,用0.45 μm的聚醚砜滤膜(PES)过滤。

    选用上述实验中吸附性能最佳的吸附剂对ENR、PEF和CIP进行吸附动力学实验。实验溶液初始浓度设置为10 mg·L−1,温度为25 °C,并分别保持不同的接触时间(0~90 min)。对于吸附等温线,分别配制不同浓度的ENR (0~100 mg· L−1)、PEF (0~100 mg·L−1)和CIP (0~100 mg· L−1)溶液。利用HCl/NaOH调节溶液至最佳pH (对于ENR和PEF, pH为6.0;对于CIP,pH为7.0),并将实验温度控制在25 °C。为了研究腐殖酸浓度、离子强度和pH对吸附的影响,将不同浓度的腐殖酸(0~30 mg·L−1)和NaCl (0~0.1 mol·L−1)添加到抗生素溶液中,将pH从3.0调节至11.0。上述所有实验均重复3次。空白对照样中的抗生素初始浓度在实验后基本无变化,表明抗生素溶液浓度在吸附过程中不受外界条件的影响。

  • 通过FT-IR光谱表征了3种吸附剂的表面官能团组成(图1)。位于587 cm−1处的吸收峰为Fe—O—Fe的振动吸收峰。对于3种吸附剂来说,3 418~3 480、1 084、1 631和801 cm−1处的吸收峰分别是由O—H、Si—O—Si和Si—OH的伸缩振动引起的[24-25]。对于MMS和FMS来说,在2 925 cm−1和2 859 cm−1处出现的新吸附峰是由—CH2的不对称伸缩振动和对称伸缩振动引起的,而1 487 cm−1处的吸收峰是由—CH3的弯曲振动所引起的[26]。然而,在UMS的吸收峰中,所有—CH2和—CH3的伸缩振动峰都不存在,这表明十二烷基已成功负载到MMS和FMS上。

    3种吸附剂的N2吸附-脱附等温线(图2)均为IV型曲线,表明3种材料均为介孔材料[27]。孔径分布(图2内嵌图)表明,合成材料的孔径约为2.5 nm,并且存在狭窄的孔径分布。与UMS和FMS相比,MMS的尖峰更加清晰,这表明在相同的孔容条件下,MMS具有更多的孔道。此外,BET分析(表2)显示,MMS的孔道总体积和比表面积分别为1.30 cm3·g−1和1 104.71 m2·g−1,均高于FMS (0.94 cm3·g−1和462.21 m2·g−1),这与已报道的介孔材料特性[28]一致。

    图3为MMS的TEM图和SEM图。MMS的TEM(图3)显示出典型的核-壳结构,可以看到MMS直径约200 nm的磁核和厚度约50 nm的灰色介孔硅外壳。外壳中的孔道垂直于磁核的表面,并在高放大倍率下表现出较高的介观有序性,这与先前的报道[29]一致。

    为了研究MMS的磁性能,检测了MMS和Fe3O4的VSM曲线(图4)。结果表明,由于剩磁和矫顽磁接近零,因此,MMS具有超顺磁特性。而MMS的最大磁感应强度从5.6×10−3 T降至2.9×10−3 T,这是由于包裹了较厚的介孔二氧化硅外壳和引入了有机官能团所导致[25]。同时,磁滞回线结果表明,MMS的饱和磁化强度足以使其被磁铁从水中分离出来。此外,由于其优异的超顺磁性能,MMS能够很好地分散在水中并易于污染物的吸附。

    图5所示,在小角度XRD图谱中,UMS具有3个明显的峰(110)、(200)和(210),表现出介孔材料的典型衍射图谱,并且特征峰明显向低衍射角偏移。这表明UMS的晶胞比典型介孔材料MCM-41的要大,这可能是由于使用较长的烷基链作为模板所致[24]。这些图谱揭示了3种材料均具有短程介观有序的特征[30]。此外,由于引入了有机官能团和Fe3O4,3个衍射峰的强度均降低且向更大的角度偏移。在MMS和Fe3O4的广角XRD图谱中(图5内嵌图),2θ在30.2°、35.5°、43.2°、53.9°、57.2°和63.1°对应的衍射峰值分别对应(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)和(533)晶面。这与Fe3O4指数(JCPDS 19-0629)[21]一致。但是,由于有机功能化介孔硅的屏蔽作用,导致相应衍射峰的强度有所降低。

  • 为了探讨吸附容量随接触反应时间的变化,研究了ENR、PEF和CIP在MMS上的吸附动力学。如图6所示,由于MMS的高比表面积和负载的有机官能团,使得吸附能够很快达到平衡。由于负载的官能团可以特异性地与目标污染物分子结合,所以大多数污染物能够在10 min内被吸附完并在20 min内达到吸附平衡。因此,将接触时间设置为90 min,以确保在以下实验中所有吸附都能达到平衡。使用伪一级和伪二级动力学模型来进行吸附数据的拟合,结果(表3)显示,伪二级模型(R2 = 0.993~0.998)具有比伪一级模型(R2 = 0.953~0.976)更高的相关系数。有研究[31]使用聚丙烯酸负载的羧基石墨烯来吸附ENR,并报道了伪二级动力学模型的拟合结果。在相似的实验条件下,qe(4.01 mg·g−1)和k1(0.003 5 mg·(g·min)−1)的拟合值均低于MMS(表3),这表明MMS在吸附容量和吸附效率均优于氧化石墨烯。另外,当吸附平衡时,ENR、PEF和CIP的吸饱和附容量分别为149.21、140.75和99.70 mg·g−1,这与实验检测值相近。此结果表明,ENR、PEF和CIP在MMS上的吸附应是物理吸附。

  • Langmuir模型用于描述在均匀表面上发生的单层吸附且被吸附分子之间无相互作用,而Freundlich模型用于描述在不均匀表面上发生的多层吸附[32]。这2种模型都被用于本研究中实验数据的拟合,以分析FQs在MMS上的吸附特性。FQs在MMS上的吸附等温线如图7所示,吸附热力学参数如表4所示。通过R2的对比可以发现,Langmuir模型能够更好地拟合实验数据。这表明FQs在MMS上的吸附是单层吸附且吸附剂表面上吸附位点分布均匀。通过Langmuir模型得出ENR、PEF和CIP在MMS上的最大吸附容量分别为286.35、275.46和201.52 mg·g−1。此外,与CIP相比,MMS对ENR和PEF的吸附容量分别增加了42.3%和36.8%。MMS对3种抗生素的吸附能力顺序为ENR> PEF> CIP。导致这种吸附效果差异的原因在于,十二烷基改性增强了MMS的孔道内表面疏水性,进而获得了对有机物产生更强的吸附亲和力[33]。ENR、PEF和CIP的辛醇水分配系数分别为0.54、0.27和−0.86(https://chemicalize.com),在疏水分配的作用下[33],MMS能够对3种抗生素产生不同的吸附效果。此外,MMS对FQs的吸附能力优于FMS和UMS。与其他报道的吸附剂(表5)性能相比,MMS对FQs表现出更大的吸附能力,因此,其在去除抗生素方面具有良好的应用前景。

  • 溶液的pH可以通过改变FQs分子的电离形态和溶液中MMS的表面电荷分布,进而对吸附过程产生影响[38-39]。为了研究溶液初始pH对MMS吸附的影响,将溶液pH从3.0调节至11.0,并进行了批次实验。结果表明,pH对3种FQs的影响规律相似(图8)。在pH为6.0和7.0附近,ENR/PEF和CIP能够分别达到最大吸附容量。此外,可以通过离子形态分布(图8)和Zeta电势(图9)进一步分析pH对吸附的影响。

    图9所示,当pH在3.0~7.0时,CIP的吸附容量逐渐升高;当pH在7.0~11.0时,其吸附容量逐渐降低。这是由于在酸性条件下,羧基能够去质子化;而在碱性条件下,哌嗪环能够质子化。因此,CIP分子以中性分子(CIP0)、阳离子(CIP +)、阴离子(CIP)和两性离子(CIP±)的形态存在[38-40]。由图9还可知,在pH<7.0时,MMS的表面电荷由正价态转变为负价态(虚线为电荷由正变为负的分界线)。此外,在酸性条件下,CIP+和CIP±是CIP最主要的存在形态(图8(c))。因此,CIP吸附容量的增长可归因于CIP±和MMS表面正/负电荷间的静电吸引作用。但是,在7.0<pH<11.0时,CIP和CIP±是CIP主要的存在形态(图8(c)),因此,CIP吸附容量的减少可能是由于CIP与MMS表面负电荷之间的静电排斥所引起的。

    对于ENR,当pH在3.0~6.0时,吸附容量逐渐增加;当pH在6.0~11.0时,吸附容量逐渐降低(图9)。同理,由于羧基和哌嗪环的质子化和去质子化,ENR分子以中性分子(ENR0)、阳离子(ENR+)、阴离子(ENR)和两性离子(ENR±)的形态存在[41-42]。此外,当pH<6.0时,ENR和ENR±是ENR的主要存在形态(图8(a))。因此,由于ENR±和MMS表面正/负电荷间的静电作用,使得ENR的吸附容量增加。但是,当6.0<pH<11.0时,ENR和ENR±是ENR主要的存在形态。因此,ENR和MMS表面负电荷之间的静电排斥导致了ENR吸附容量的减少。

  • 腐殖酸普遍存在于水体中,对有机污染物的吸附有很大影响。为了研究腐殖酸对MMS吸附FQs的影响,通过改变腐殖酸的初始浓度(5~30 mg·L−1),并在pH 7.0的条件下进行了批次实验,结果如图10所示。MMS对FQs的吸附能力随着腐殖酸浓度的增加而逐渐降低。这种现象是由于腐殖酸和FQs通过疏水性分配作用来竞争MMS上的疏水吸附位点引起的[43-46],故导致FQs去除率略有下降。此外,与ENR和PEF相比,CIP在吸附过程中受到腐殖酸的影响最小,这主要是由于CIP的疏水性最弱。疏水性的腐殖酸对FQs的吸附有负面影响,但是MMS在高浓度的腐殖酸情况下,对FQs仍具有较高的吸附能力,这表明MMS在吸附去除FQs时受腐殖酸影响较小。

  • 大多数废水中均含有一定量的盐离子,因此,盐离子的存在会影响吸附过程[47]。为了更好地研究离子强度对FQs吸附的影响,在溶液中加入NaCl(0~0.1 mol·L−1)并进行了一系列批次实验。如图11所示,在离子强度由0增加到0.1 mol· L−1的过程中,FQs的吸附容量逐渐随之增加,这种现象可以用盐析效应和静电屏蔽效应来解释[47-48]。首先,在溶液中加入NaCl会降低FQs的溶解度,这可以促进更多FQs分子向MMS表面扩散,从而有利于吸附。另外,静电屏蔽效应可能是吸附的另一个因素。由于离子强度的增加,静电排斥力受到了屏蔽,从而提高了吸附能力。因此,MMS不会受到溶液中盐离子的不利影响。

  • 使用0.1 mol·L−1 的NaOH溶液作为ENR、PEF和CIP的洗脱液,进行了5个吸附/解吸循环,用以研究MMS的稳定性和重复利用,结果如图12所示。经过5个吸附/解吸循环后,ENR、PEF和CIP的吸附容量随再生循环次数的增加而略有下降。但经过循环后,MMS对FQs仍保持了至少75%的去除率,这表明MMS在吸附/解吸过程中具有良好的稳定性。

  • 1)相比于UMS和FMS, MMS对3种抗生素的吸附效果最好。对ENR、PEF和CIP的最大吸附容量分别为286.35、275.46和201.52 mg·g−1,且在10 min内可对3种抗生素均可达到90%以上的去除率。

    2)经过伪二级动力学方程拟合的qe值为99.70、140.75和149.21 mg·g−1,与实验所得值100.42、138.54和145.75 mg·g−1相近,且R2>0.99,这表明伪二级动力学方程能够较好地描述MMS对3种抗生素的吸附行为。

    3)用Langmuir吸附模型与Freundlich吸附模型对结果进行拟合表明,Langmuir吸附模型拟合的R2大于Freundlich吸附模型。因此,Langmuir吸附模型能够更好地描述MMS对3种抗生素的等温吸附特性。

    4) MMS对ENR、PEF和CIP的最佳吸附pH约为6.0和7.0,这有利于吸附剂在实际水体中的应用;腐殖酸对吸附产生的影响较小,且溶液中存在的盐离子在一定程度上能够有利于FQs的吸附。

    5) MMS吸附3种氟喹诺酮类抗生素的主要作用力包括静电吸引和疏水作用。同时,再生循环实验结果表明,MMS对FQs的吸附具有很好的稳定性。

参考文献 (48)

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