活性炭對水中典型PPCPs吸附去除效果的研究

梁存峰

(長治市水文水資源勘測分局，山西 長治 046000 )

藥物和個(gè)人護(hù)理品(Pharmaceuticals and personal care products，PPCPs)是存在于水生環(huán)境中的一類新興微量污染物。PPCPs會(huì)對生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生影響，造成生殖和神經(jīng)系統(tǒng)疾病[1]。PPCPs的持續(xù)排放導(dǎo)致環(huán)境中PPCPs呈現(xiàn)偽持續(xù)性的狀態(tài)[2]。絮凝、沉淀等污水處理工藝對PPCPs沒有明顯的去除效果[3]。目前用來處理PPCPs的技術(shù)包括高級(jí)氧化工藝、膜過濾和活性炭吸附等技術(shù)。由于活性炭吸附技術(shù)具有投資少、效率高、操作簡單、環(huán)境友好、吸附劑可再生等優(yōu)點(diǎn)而成為目前最具前景的PPCPs處理技術(shù)[4-7]。

筆者以果殼活性炭、煤質(zhì)活性炭、椰殼活性炭3種粒狀活性炭和2種粉末活性炭為吸附劑，選擇目前國內(nèi)使用廣泛[8]、生物利用率低[9]、不易降解、具有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[10]的三類典型PPCPs(磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲嘧啶和紅霉素)，研究活性炭投加質(zhì)量、活性炭種類、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度等因素對PPCPs處理效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

PPCPs檢測采用島津公司生產(chǎn)的LC-MS8040型高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀，色譜柱為InertSustain型C18柱(4.6 mm×150 mm，5 μm)?；前芳谆奏?、磺胺二甲嘧啶和紅霉素，均為分析純，百靈威公司生產(chǎn)。

1.2 色譜條件

色譜條件：流動(dòng)相為乙腈和超純水，乙腈體積分?jǐn)?shù)為80%，超純水體積分?jǐn)?shù)為20%，流速為1 mL/min，進(jìn)樣量為5 μL，柱溫為30 ℃。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 活性炭灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定

準(zhǔn)確稱取1～2 g活性炭置于干燥恒重坩堝中，在(400±25) ℃的馬弗爐中灼燒1 h后，上調(diào)溫度至(800±25) ℃，繼續(xù)灼燒6 h，冷卻后準(zhǔn)確稱量灼燒后總質(zhì)量，計(jì)算活性炭中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。5種活性炭的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 活性炭灰分測定結(jié)果

1.3.2 粒狀活性炭吸附實(shí)驗(yàn)

將20 000 μg/L的PPCPs(紅霉素、磺胺甲基嘧啶和磺胺二甲嘧啶)混合溶液稀釋成200 μg/L。準(zhǔn)確稱取若干份一定量活性炭放入100 mL具塞三角瓶中，加入200 μg/L的3種PPCPs混合溶液后，立即放入25 ℃恒溫振動(dòng)培養(yǎng)箱中進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，定時(shí)取樣，吸附后溶液經(jīng)0.22 μm的濾膜過濾后移至1.5 mL的樣品瓶中，利用LC-MS/MS對吸附后剩余目標(biāo)物濃度進(jìn)行檢測。

1.3.3 粉末活性炭吸附實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取一定量粉末活性炭于廣口瓶中，加入純水配制成一定濃度的活性炭儲(chǔ)備溶液，在磁力攪拌器攪拌的同時(shí)，用移液槍將活性炭溶液移至裝有目標(biāo)溶液的三角瓶中，其后實(shí)驗(yàn)過程與粒狀活性炭一致。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粒狀活性炭對PPCPs的去除效果

在16個(gè)裝有50 mL質(zhì)量濃度為200 μg/L的PPCPs溶液的三角瓶中分別加入0.025 g和0.05 g果殼活性炭，定時(shí)在10、20、40、60、120、240、360 min和480 min取出2個(gè)三角瓶進(jìn)行目標(biāo)物的檢測，研究活性炭添加質(zhì)量對紅霉素、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲嘧啶去除效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 粒狀活性炭添加質(zhì)量對PPCPs去除率的影響Fig.1 Different dosages of GAC effect on the removal efficiency of PPCPs

由圖1可以看出，果殼活性炭的投加質(zhì)量為0.025 g時(shí)，3種物質(zhì)在6 h時(shí)基本達(dá)到吸附平衡，紅霉素、磺胺甲基嘧啶和磺胺二甲嘧啶的去除率分別為80%、90%和88%；當(dāng)果殼活性炭的添加質(zhì)量增加到0.05 g時(shí)，對3種物質(zhì)的吸附平衡時(shí)間約為4 h，3種物質(zhì)的最終去除率均為96%，相對于0.025 g投加質(zhì)量去除率提高了約10%，尤其對紅霉素的去除效果提升明顯。

在確定0.05 g活性炭投加質(zhì)量的基礎(chǔ)上，分別研究了椰殼和煤質(zhì)活性炭對3種PPCPs的去除效果，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，椰殼活性炭、煤質(zhì)活性炭與果殼活性炭相比，前2種活性炭對紅霉素的去除效果明顯低于果殼活性炭。3種活性炭對磺胺甲基嘧啶和磺胺二甲嘧啶去除能力相當(dāng)。果殼活性炭對紅霉素、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲嘧啶的去除效果最好。

2.3 粉末活性炭對PPCPs的去除效果

在22個(gè)裝有50 mL質(zhì)量濃度為200 μg/L的PPCPs 溶液的三角瓶中分別加入0.01 g和0.002 g的1#粉末活性炭，分別于1、2、5、10、20、30、40、50、60、90 min和120 min取出2個(gè)三角瓶進(jìn)行目標(biāo)物的檢測，研究1#粉末活性炭投加質(zhì)量對紅霉素、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲嘧啶去除效果的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，0.01 g和0.002 g的1#粉末活性炭投加質(zhì)量對紅霉素、磺胺甲基嘧啶和磺胺二甲嘧啶的吸附分別在20 min和60 min時(shí)達(dá)到平衡，對這3種PPCPs吸附平衡時(shí)的去除率基本沒有影響。

圖3 1#粉末活性炭添加量對PPCPs去除率的影響Fig.3 Different dosages of GAC effect on the removal efficiency of PPCPs

在確定0.002 g粉末活性炭投加質(zhì)量的基礎(chǔ)上，研究了2#粉末活性炭對3種PPCPs的去除效果，結(jié)果如圖4和圖3(b)所示。由圖4和圖3(b)可以看出，1#和2#粉末活性炭對紅霉素、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲嘧啶的吸附平衡時(shí)間分別為60 min和120 min，吸附平衡時(shí)的去除率分別達(dá)到95%和90%?；钚蕴康幕曳仲|(zhì)量分?jǐn)?shù)越少，活性炭對PPCPs的去除效果更優(yōu)。原因是活性炭中灰分的存在堵塞了活性炭的部分孔隙，灰分的脫除可以使活性炭形成一定的新孔，尤其使得微孔數(shù)量增多[11]，因此要求灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)盡可能少[12]。與粒狀活性炭相比，粉末活性炭吸附平均時(shí)間大大縮短，活性炭的投加質(zhì)量也大幅下降。

圖4 0.002 g的2#粉末活性炭對PPCPs的去除效果Fig.4 Removal efficiency of PPCPs with 0.002g of 2# PAC

2.4 溫度對PPCPs去除效果的影響

為了進(jìn)一步研究吸附溫度對PPCPs去除效果的影響，分別在15 ℃和35 ℃下，采用2#粉末活性炭進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。結(jié)合圖5和圖4(b)(25 ℃)可以看到，在35 ℃時(shí)，不僅吸附平衡時(shí)間延長，而且對3種PPCPs的去除率降低。15 ℃的吸附溫度對3種PPCPs的去除效果最好。原因是吸附通常為放熱反應(yīng)，低溫有利于吸附反應(yīng)進(jìn)行[13]。

圖5 溫度對PPCPs去除率的影響Fig.5 Effect of adsorption temperature on the removal efficiency of PPCPs

3 結(jié)論

通過活性炭對PPCPs的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)對于3種粒狀活性炭，果殼活性炭對紅霉素的去除效果優(yōu)于椰殼活性炭和煤質(zhì)活性炭。3種粒狀活性炭對磺胺甲基嘧啶和磺胺二甲嘧啶去除能力相當(dāng)。

(2)與粒狀活性炭相比，粉末活性炭吸附平均時(shí)間大大縮短，活性炭的投加質(zhì)量也大幅下降。低灰分的1#粉末活性炭對3種PPCPs的去除效果優(yōu)于高灰分的活性炭。原因是活性炭中灰分的存在堵塞了活性炭部分孔隙，灰分的脫除可以使活性炭形成一定量新孔，尤其會(huì)使得微孔數(shù)量增多，增強(qiáng)吸附效果。

(3)15 ℃的吸附溫度對紅霉素、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲嘧啶的去除效果最好。