N/S摻雜石墨烯水凝膠徹底去除低濃度環(huán)丙沙星

南京工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院 江蘇 南京 211167

引言

氧化石墨烯(GO)是非化學(xué)計(jì)量的sp3和sp2雜化碳網(wǎng)絡(luò)的二維晶格[1-2]。環(huán)丙沙星是喹諾酮類(lèi)藥物，是被廣泛使用的抗生素，被動(dòng)物注射后，難以被動(dòng)物充分吸收而被徹底降解，因此它會(huì)隨著動(dòng)物的排泄物直接排放到水環(huán)境中，對(duì)水體環(huán)境和人們生活帶來(lái)極大的威脅[3-4]。GO表面含有大量的含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)在水中帶負(fù)電，對(duì)水體中的抗生素大分子有更加優(yōu)越的吸附效果[5-6]。

本文旨制備一種新型摻雜非金屬N和S還原石墨烯水凝膠，驗(yàn)證對(duì)低濃度CIP的吸附降解情況。

1 材料與方法

1.1 制備N(xiāo)、S摻雜還原石墨烯水凝膠

(1)準(zhǔn)確稱(chēng)取125.00mg氧化石墨粉末，定容于50mL容量瓶，將其移入100ml燒杯中，密封燒杯口。超聲波處理36小時(shí)，得2.5mg/mL的氧化石墨烯溶液(簡(jiǎn)稱(chēng)GO)，記為A；

(2)將2.5ml 100mg/ml硫脲溶液和2ml

100mg/ml的亞硫酸氫鈉溶液分別加入50ml的A溶液中，將其移入100ml燒杯中，密封燒杯口。超聲波處理24h，得溶液B。

(3)準(zhǔn)確移取B溶液10ml，放入25ml燒杯中，密封燒杯口，超聲波處理5min，放入烘箱中升溫至170℃后，維持12h。

(4)用去離子淋洗9-10次，得N、S摻雜還原石墨烯水凝膠(記SNRGH)。

1.2 環(huán)丙沙星溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線 為了研究吸附過(guò)程中，監(jiān)測(cè)環(huán)丙沙星濃度的瞬時(shí)變化，需要對(duì)環(huán)丙沙星進(jìn)行定量分析。采用紫外可見(jiàn)-全波長(zhǎng)掃描儀器，對(duì)10mg/L的環(huán)丙沙星標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描，得到CIP最大吸收波長(zhǎng)275nm。275nm處，分別測(cè)定2mg/L、4mg/L、6mg/L、8mg/L、10mg/L標(biāo)CIP準(zhǔn)溶液，得到工作曲線，選用CIP濃度為縱坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)吸光度為橫坐標(biāo)，線性擬合，得如下公式c=11.1169*A+0.13819，R2=0.997，c代表環(huán)丙沙星濃度，mg/L；A代表吸光度。

1.3 吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn) 選擇SN-RGH作為吸附劑，選擇環(huán)丙沙星為吸附質(zhì)。取5個(gè)20mg SN-RGH，分別加入20mL初始濃度為25mg/L、50mg/L、75mg/L、100mg/L、150mg/L的CIP溶液，160rpm，保持24小時(shí)，使吸附達(dá)到平衡，在475nm處測(cè)定吸光度，根據(jù)CIP工作曲線，根據(jù)下面公式，得溶液中殘留CIP，計(jì)算得CIP平衡吸附量。

c0:CIP初始濃度，單位mg/L；

ce吸附平衡時(shí)，CIP初始濃度，單位mg/L；

V:CIP溶液的體積，單位mL；

m:SN-RGH質(zhì)量，單位mg；

qe:平衡時(shí)SN-RGH的吸附容量，mg/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附等溫線分析為

表1 NS-RGH降解不同濃度環(huán)丙沙星

由表1可以看出，當(dāng)CIP濃度小于等于50mg/L時(shí)，吸附劑NS-RGH對(duì)CIP的吸附選擇性較大，大于23，CIP去除率大于95%。隨著CIP濃度大于100mg/L時(shí)，吸附劑NS-RGH對(duì)CIP的吸附選擇性較小，處于5和7之間，CIP去除率處于83-87%。我們選擇濃度范圍0-50mg/L

作為研究對(duì)象。

吸附等溫線過(guò)程可以描述CIP與NS-RGH的相互作用，一些特定的參數(shù)可以描述吸附行為。選取了兩個(gè)具有代表性的Freundlich和Langmuir模型來(lái)擬合等溫線方程。

(1)Langmuir等溫方程分析。朗格繆爾等溫線方程的表達(dá)式為:

式中:ce為溶液中染料的平衡濃度(mg/L)，qe為吸附平衡吸附量(mg/g)，KL為朗格繆爾常數(shù)反應(yīng)CIP與NS-RGH的吸附點(diǎn)結(jié)合能力；qm為NS-RGH飽和吸附量。

(2)Freundlich等溫方程分析

弗羅因德利希等溫線是基于非均勻表面吸附的純經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，可以用下面公式 表達(dá)Freundlich模型的線性形式:

式中，Kf、n為系統(tǒng)的弗倫德利希常數(shù)特征，分別表示吸附容量和吸附強(qiáng)度，n反映吸附的非線性程度以及吸附機(jī)制的差異。

表2 等溫吸附數(shù)據(jù)

表2為擬合所采用的分析數(shù)據(jù)，表3為L(zhǎng)angmuir模型和Freundlich模型分別對(duì)CIP在吸附劑上吸附行為進(jìn)行擬合，Langmuir模型和Freundlich模型擬合的R2分別是0.9945和0.9768。結(jié)果表明，Langmuir模型描述CIP在NS-RGH的吸附行為更準(zhǔn)確，為單分子層吸附，最大吸附容量119mg/g，吸附容量不大，當(dāng)濃度低于50mg/L時(shí)，吸附劑對(duì)CIP吸附選擇性達(dá)到24左右，CIP除去率達(dá)到96.5%以上。

表3 Langmuir模型和Freundlich模型吸附常數(shù)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)N、S摻雜的還原石墨烯氣凝膠的吸附行為分析、對(duì)降解過(guò)程中抑制因子的分析，得出以下結(jié)論:

(1)制備得出的N、S摻雜的還原石墨烯氣凝膠材料吸附去除環(huán)丙沙星的去除率達(dá)到96.5%的最佳條件為:濃度小于50mg/L，固液比為2:1，吸附時(shí)間為24小時(shí)。

(2)分別用Langmuir方程和Freundlich方程對(duì)吸附等溫線進(jìn)行擬合和數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明:Langmuir方程擬合相關(guān)系數(shù)為0.9945，F(xiàn)reundlich方程擬合相關(guān)為0.9768，表明Langmuir模型更準(zhǔn)確描述吸附劑對(duì)環(huán)丙沙星的吸附行為整個(gè)吸附過(guò)程為単分子層吸附。