油樟叶渣活性炭对磺胺嘧啶的吸附性能.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：油樟叶渣活性炭对磺胺嘧啶的吸附性能阳新奎，阳亿元，王永强，王成檬，梁祝 （宜宾学院 国际应用技术学部，四川宜宾 ；西南科技大学 环境与资源学院，四川绵阳 ）摘要：以油樟叶渣活性炭为吸附剂，研究活性炭投加量、吸附时间、不同初始质量浓度、吸附温度、值等因素对水中磺胺嘧啶吸附性能的影响，采用傅里叶红外光谱分析（）和比表面积仪（）对活性炭进行表征。结果表明，磺胺嘧啶初始质量浓度为 时，投加 油樟叶渣活性炭，磺胺嘧啶去除率达到 ，吸附时间越长，吸附效果越好，后达到吸附平衡；去除率随 值升高不断降低，酸性环境有利于吸附磺胺嘧啶；吸附容量随温度的升高而增加，但温度超过 后，吸附性能下降；和 吸附等温拟合结果表明，吸附过程为单分子层吸附；准二级动力学模型和 粒子内扩散方程分析结果表明，吸附过程包括物理吸附和化学吸附，以化学吸附为主，吸附速率受颗粒内扩散和外表面扩散控制。关键词：油樟叶渣；活性炭；磺胺嘧啶；吸附中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：（）（），：；磺胺类抗生素是有机类合成药物，在畜牧业和医疗行业应用广泛，容易在人体和动物体内积累 ，并随生物体液排放到环境中 。目前，磺胺类抗生素在我国的养殖场废水 、污水处理厂 、地表水 、地下水及饮用水 、土壤 和河湖的沉积物 中均有检出，不仅污染水环境和影响土壤的微生物群落，还威胁人体健康，因此，必须对水体中的磺胺类抗生素进行有效去除。现有的去除技术有生物降解、物理吸附、化学氧化等方法 ，物理吸附因良好的经济性和环境友好性得到广泛关注 ，吸附材料主要有生物炭 、碳纳米管 、树脂 等。油樟是中国特有的珍稀物种，主产于四川省宜宾市，亦称“宜宾油樟”。油樟提取樟油后会产生大量副产物 叶渣。宜宾年产樟油 ，叶渣就有 多万 。大量叶渣被直接焚烧或就地堆放腐烂，不仅污染环境，还造成严重的资源浪费。叶渣的资源化和无害化处理利用已经成为亟待解决的一个主要问题。油樟叶渣中含有丰富的多糖类等有机质，含碳量高达 ，是制备生物质活性炭理想的原材料。本研究以宜宾油樟叶渣制备的活性炭为吸附剂，研究其对磺胺嘧啶的吸附性能，分析吸附时间、吸附剂投加量、初始质量浓度、值和温度对吸附性能的影响，结合红外光谱分析和比表面积测定揭示吸附过程，为油樟叶渣活性炭吸附磺胺嘧啶的应用提供理论依据。材料与方法 实验试剂与仪器油樟叶渣活性炭（），由当地樟油企业废弃的油 樟 叶 渣 所 制；磺 胺 嘧 啶（，）（），纯度为 ，阿拉丁科技有限公司；氢氧化钠（）和盐酸（），天津市大陆化学试剂厂。活性炭表面化学官能团的分析采用傅立叶变换红外光谱仪（，日本岛津制作所）；活性炭比表面积由比表面积测量仪（型号 ，贝士德仪器科技有限公司）测定；溶液中的磺胺嘧啶浓度由紫外可见分光光度计（，日本岛津制作所）测定。年 月云南化工 第 卷第 期 ，实验方法 磺胺嘧啶溶液标准曲线用 的 储备液配制不同质量浓度的标准 溶 液：、，在 下测定吸光度，以吸光度为纵坐标，质量浓度为横坐标，制作标准曲线（）：（）不同因素影响吸附性能的实验采用静态吸附实验分别分析活性炭投加量、吸附时间、初始质量浓度、温度和 值对吸附性能的影响。实验步骤：称取一定质量活性炭加入具塞锥形瓶；加入一定质量浓度的磺胺嘧啶溶液；置于恒温振荡水浴箱中吸附（）；滤膜过滤上清液；用紫外分光光度计测定吸光度。）活 性 炭 用 量（、），反 应 条 件（初始质量浓度 、吸附 、吸附温度 ）；）反应时间（、），反应条件（活性炭 、初始质量浓度 、吸附温度 ）；）反应温度（、），反应条件（活性炭 、初始质量浓度 ）；）水溶液质量浓度（、），反应条件（活性炭 、吸附温度 ）；）水溶液 （、），反应条件（活性炭 、初始质量浓度 、吸附温度 、吸附 ）。计算公式：）磺胺嘧啶质量分数 ：（）式中：为待测样品中磺胺嘧啶质量分数，；为待测样品吸光度；为空白吸光度；为标准曲线截距；为标准曲线斜率。）磺胺嘧啶吸附容量 和磺胺嘧啶去除率 ：（）（）式中：为吸附前磺胺嘧啶质量浓度，；为吸附后磺胺嘧啶质量浓度，；为溶液体积，；为活性炭投加量，；为吸附量，。数据处理）吸附动力学研究本研究选择准二级动力学模型 来拟合实验数据。（）式中：为平衡吸附容量，；为准二级吸附速率常数，（）；为 时刻油樟叶渣活性炭的吸附容量，；为吸附时间，。为进一步讨论 在活性炭颗粒表面的吸附扩散过程，运用 粒子内扩散方程对实验数据进行分段线性拟合 。（）式中：为 时刻油樟叶渣活性炭的吸附容量，；为颗粒内扩散速率常数，（）；为扩散方程常数，即截距；为吸附时间，。）吸附等温线研究采用 和 模型拟合吸附等温数据：（）（）式中：为平衡吸附容量，；为磺胺嘧啶的吸附平衡质量浓度，；为吸附作用平衡常数；为油樟叶渣活性炭的最大吸附容量，；和 为吸附常数。结果与讨论 活性炭表面化学官能团根据红外光谱分析结果（图），吸附前（）和吸附后（）活性炭表面的部分官能团的波数和峰 强 均 有 明 显 变 化。波 数 、分别为 、或 、芳香环中 双键的伸缩振动峰，表明活性炭表面有较丰富的芳香苯环基团；吸附 后，的吸收峰位移至 ，且波强也被减弱，该波数为 或 伸缩振动峰 ；羟基（）等含氧官能团能够为磺胺嘧啶的吸附提供吸附点位，利于活性炭与磺胺嘧啶之间形成氢键 ，波数为 、处的苯环 吸收峰在吸附前后没有位移，但是峰强有一定变化，判断吸附过程中有 的作用。：未吸附活性炭；：吸附后活性炭。图 活性炭吸附磺胺嘧啶前后的红外光谱分析 年 月云南化工 第 卷第 期 ，比表面积油樟叶渣活性炭在粒径为 目时的比表面积为 。孟庆梅等 使用榴莲壳制作生物炭，未被 磷 酸 活 化 的 榴 莲 壳 生 物 炭 的 比 表 面 积 为 ，磷酸（）活化后的油樟叶渣活性炭的比表面积为 。本实验采用的油樟叶渣活性炭没有经过磷酸活化，其比表面积大大高于榴莲壳生物炭，但是小于磷酸活化制备的活性炭，说明油樟叶渣原材料比榴莲壳更有利于制备活性炭，磷酸活化有利于提高比表面积，但是增加制备成本。吸附影响因子实验 活性炭投加量对吸附性能的影响活性炭投加量实验结果表明（图 ），随 投加量增加，的去除率从 逐渐上升到 ，在 后趋于稳定，同时吸附容量呈下降趋势，且在投加量大于 之后下降趋势逐渐放缓。的质量浓度不变时，增加 投加量使得吸附点位提高，但单位质量 的吸附量减少，导致吸附容量下降。图 活性炭投加量对吸附性能的影响 溶液 值对吸附性能的影响随 值逐渐升高，的去除率不断降低（图）。图 值对吸附性能的影响根据磺胺嘧啶的酸碱解离常数 ，主要以阳离子形式存在，表面带负电荷，利于吸附 ，去除率达到 ；，主要以中性分子存在，和 之间的 电子供体 受体（）作用和疏水作用减弱，对 的吸附作用降低；，主要以阴离子存在，与 之间的静电排斥作用增强，吸附效果显著降低，同时也降低了 的电子接受能力，抑制了 与 之间的 作用和疏水作用 。磺胺类的芳香环和不饱和结构（如磺胺基）可作为 电子受体，碳化物上垂直于其表面的各原子形成 轨 道 作 为 电 子 供 体，进 而 形 成 作用 。吸附时间对吸附性能的影响 的质量浓度随着吸附时间的增加而降低（图），之前，吸附容量和去除率不断提高，分别达到 和 ，之后浓度和去除率的变化逐渐减小；（）时趋于平稳，的吸附趋于饱和。图 吸附时间对吸附性能的影响 温度对吸附性能的影响随温度的上升，的吸附容量不断提高（图），的石墨化表面越多拥有更高的 电子密度。随着温度的升高，相互作用更强 ，温度较高为吸附提供能量，促进吸附，吸附趋于饱和后，温度的升高对吸附的影响较小。图 温度对吸附性能的影响 吸附动力学准二级动力学方程拟合效果较好（）（图 ），平衡吸附容量为 ，之前吸附容量近乎呈线性增长，去除率迅速提高到 。这是因为 表面有大量的活性位点，且在吸附初期，溶液中 浓度较高，吸附速率相对较快。年 月云南化工 第 卷第 期 ，之后吸附容量和去除率的提升速率放缓，拟合曲线斜率变小，说明活性炭表面的吸附位置逐渐被占据并趋于饱和。拟合结果表明，吸附过程包括物理吸附和化学吸附，以化学吸附为主。图 动力学方程拟合曲线根据 粒子内扩散方程的拟合结果（图 和表 ），吸附扩散过程呈现两段线性（分别表示扩散阶段和吸附平衡阶段），拟合直线不经过原点，说明该活性炭对 的吸附过程主要由颗粒内部扩散和表面吸附控制 。初始段直线斜率，即内扩散速率常数 较大，说明 在该活性炭表面吸附过程中，活性炭颗粒的扩散速率较高。表 粒子内扩散模型特征参数（）吸附等温线 和 两种吸附等温模型与实验数据的拟合程度都较高（图 ），但 模型的值大于 模型的，说明 模型能更好地描述 对 的等温吸附过程，吸附过程为单分子层吸附，由于拟合曲线并未趋于平稳，实验数据 值小于拟合所得 值。图 吸附等温线拟合曲线 结论以油樟叶渣活性炭为吸附剂，研究其对磺胺嘧啶的吸附性能，结果表明：）表面含有丰富的羟基（）等含氧官能团，利于 与 之间形成氢键；吸附后，部分官能团吸收峰的波数和峰强都产生明显变化，作用效果明显。）温度升高和酸性环境有利于吸附 。）吸附过程为单分子层吸附；吸附过程中包括物理吸附和化学吸附，以化学吸附为主，吸附速率受颗粒内扩散和外表面扩散控制。）该油樟叶渣活性炭的比表面积和吸附性能有待进一步提高，后续研究需优化活性炭的制备条件和对磺胺嘧啶的吸附条件。参考文献：，（）：何金华，丘锦荣，贺德春，等 磺胺类药物的环境行为及其控制技术研究进展 广东农业科学，（）：闾幸 生猪养殖废水及地表水中兽用抗生素污染现状与处理技术研究 上海：上海师范大学，孙丰霞 污水处理系统中磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑的优化处理研究 泰安：山东农业大学，徐浩 海口市城区地表水中抗生素残留状况调查和典型抗生素光降解模拟实验研究 海口：海南大学，周爱霞，苏小四，高松，等 效液相色谱测定地下水、土壤及粪便中 种磺胺类抗生素 分析化学，（）：黎颖治，张桂华，莫测辉，等 惠州生态植物基地磺胺类抗生素污染现状 资源节约与环保，（）：何秀婷，王奇，聂湘平，等 广东典型海水养殖区沉积物及鱼体中磺胺类药物的残留及其对人体的健康风险评价 环境科学，（）：（下转第 页）年 月云南化工 第 卷第 期 ，粒径的减小而变强。参考文献：，：，：李亚栋，贺蕴普，钱逸泰，等 银纳米粒子的制备及其表面特性研究 化学物理学报，（）：，?，（）：，：，（）：赵婷，戴红，肖尧，等 冠醚交联壳聚糖吸附原位还原制备纳米银 中国皮革，（）：，：，（）：，（）：，和俊，司民真 纳米银的制备及其应用 光散射学报，（）：章继恩，祝来燕，张健 纳米银灭菌剂的合成及应用 染整技术，（）：刘伟，张子德，王琦，等 纳米银对常见食品污染菌的抑制作用研究 食品研究与开发，（）：收稿日期：作者简介：颜廷良（），男，江苏建湖人，大学本科，正高级讲师，主要从事精细化工教学与研究。（上接第 页）李佳琳，巨龙，崔梦，等 磺胺类抗生素的污染现状与去除技术研究进展 安徽农业科学，（）：，：，（）：孟庆梅，孟迪，张艳丽，等 榴莲壳生物炭对磺胺嘧啶的吸附性能 化工进展，（）：，：，：范荣桂，戴艺，董雪，等 强碱性阴离子交换树脂对水中磺胺二甲基嘧啶的吸附特性 离子交换与吸附，（）：杨学兵，莫开林，张正香，等 油樟叶渣制备活性炭工艺研究 四川林业科技，（）：，（）：，：，：，：，（）：朱青 改性生物炭对水中磺胺嘧啶的去除试验研究 济南：山东师范大学，（）：收稿日期：基金项目：香料植物资源开发与利用四川省高校重点实验室开放基金项目（）；四川省省级大创项目（）；四川省省级大创项目（）。作者简介：阳新奎（），男，硕士研究生，主要研究方向：土壤生态学。：通讯作者：梁祝（），女，博士，副教授，主要研究方向：水污染控制和环境功能材料研制。：