新型复合水凝胶在可见光照射下对抗生素的吸附和降解

发布时间：2020-06-27 14:33

【摘要】：抗生素的大量生产与滥用对人类健康和生态环境造成了严重威胁,而我国地表水中检出频率较高的抗生素主要为磺胺类和氟喹诺酮类抗生素。因此,本论文选择磺胺甲VA唑和诺氟沙星(分别为磺胺类和氟喹诺酮类抗生素中的代表性物质)作为研究对象,研究如何有效地将其从环境水体中去除。由于光催化法具有环境友好、操作简单等特点,逐渐成为水体中抗生素处理方法中的研究热点。但该技术仍存在光催化效率低、可见光利用率低和分离效果不佳等应用方面的不足。本论文通过合成新型复合水凝胶,采用新型复合水凝胶吸附富集水中的抗生素,同时在可见光下对抗生素进行光降解的方法,在提高催化剂分离效果的同时,也提高了可见光利用率和对抗生素的降解效率。论文以N-甲基马来酸(N-Methylmaleamic acid,NMMA)和 2-丙烯酸羟乙酯(2-hydroxyethyl acrylate,HEA)为单体,采用低温辐照聚合法制备得到水凝胶载体p(HEA/NMMA),利用原位沉淀法负载氧化锌和硫化铜纳米颗粒,得到具有吸附和光催化性能的新型复合水凝胶,即氧化锌复合水凝胶(p(HEA/NMMA)-ZnO)和硫化铜复合水凝胶(p(HEA/NMMA)-CuS);利用相应的表征手段分析了水凝胶载体和新型复合水凝胶(p(HEA/NMMA)-ZnO、p(HEA/NMMA)-CuS)的溶胀性和 Zeta 电位、表面形貌、结构特征、热稳定性以及光学性能等;结合以上特性研究了新型复合水凝胶对抗生素的吸附效果、吸附行为特性、吸附的影响因素以及吸附机理;系统考察了新型复合水凝胶在可见光照射下对抗生素的降解效果、降解动力学和影响因素,并通过降解产物的分析与理论计算得出相应的降解机理;评价了新型复合水凝胶降解抗生素后产物的急性毒性;对模拟实验废水的处理效果进行了探讨。通过以上研究,得出主要结论如下:1、水凝胶载体和新型复合水凝胶的性能表征相应的表征分析结果表明,水凝胶载体表面带有羧基、羟基和酰胺基,硫化铜和氧化锌纳米颗粒的负载主要是与水凝胶单体上的酰胺基作用;两种新型复合水凝胶中含有CuS纳米颗粒与ZnO纳米颗粒分别占水凝胶干重的10 wt%和15 wt%;两种新型复合水凝胶对可见光的吸收明显强于单纯ZnO和CuS纳米颗粒;在可见光照射下,ZnO纳米颗粒和两种新型复合水凝胶产生的电子和空穴均可以被有效分离,而单纯的CuS纳米颗粒产生的电子和空穴不能被有效分离。2、新型复合水凝胶对抗生素的吸附效果和机理两种新型复合水凝胶对于抗生素的平衡吸附量随着抗生素初始浓度的升高而升高;诺氟沙星(NOR)的初始浓度为0.64 mmol/L时,p(HEA/NMMA)-ZnO对NOR的理论最大吸附量为52.6 mg/g,磺胺甲VA唑(SMX)的初始浓度为2.0 mmol/L时,p(HEA/NMMA)-CuS对SMX的理论最大吸附量为31.0 mg/g;NOR和SMX在两种新型复合水凝胶上的吸附较好的符合Langmuir模型,吸附均属于单分子层的化学吸附;水凝胶载体p(HEA/NMMA)对NOR和SMX的吸附主要是由于聚合物单体上酰胺基的作用,p(HEA/NMMA)-ZnO对NOR的吸附主要是由于氧化锌纳米颗粒的作用,水凝胶单体上酰胺基起到辅助作用;p(HEA/NMMA)-CuS对SMX的吸附受硫化铜纳米颗粒和水凝胶单体上酸胺基的共同作用。3、新型复合水凝胶对抗生素的降解效果和机理在500w可见光照射下,2.0g/L的p(HEA/NMMA)-ZnO对0.16mmol/LNOR在60 min内的降解效率可达89.5%,2.0 g/L的p(HEA/NMMA)-CuS对0.20 mmol/L的SMX在12 h以内的降解效率可达90.9%;可见光强度的变化对p(HEA/NMMA)-ZnO降解NOR的效率影响不明显,p(HEA/NMMA)-CuS降解SMX的效率随着可见光强度的减小而降低;对新型复合水凝胶光降解抗生素机理的研究发现,p(HEA/NMMA)-ZnO对NOR的降解主要由空穴和超氧自由基(·O2)在氧化过程中发挥主要作用,羟基自由基(·OH)起到辅助作用,p(HEA/NMMA)-CuS对SMX的降解过程中,空穴发挥了主要作用,·OH起到辅助作用;p(HEA/NMMA)-ZnO对NOR的矿化率为77.2%,p(HEA/NMMA)-CuS对SMX的矿化率为43.6%;重复性实验结果表明,新型复合水凝胶具有很好的重复利用性。4、新型复合水凝胶降解抗生素后产物的急性毒性评价和实验室模拟抗生素废水的处理效果利用明亮发光杆菌(Photobacterium phosphorem T3)对抗生素降解前后的生物毒性进行评价,发现两种新型复合水凝胶降解NOR和SMX后,降解产物溶液对明亮发光杆菌的发光抑制作用均呈现出不同程度的降低,说明经两种新型复合水凝胶降解后的抗生素产物的生物毒性均减弱。与对照组相比,p(HEA/NMMA)-ZnO对两种模拟海水养殖废水和中等硬度合成水中NOR的最终降解效率基本没受影响,模拟合成污水中NOR的降解效率受到约10%的抑制;p(HEA/NMMA)-CuS对两种模拟海水养殖废水中SMX的最终降解效率略有减少,在中等硬度合成水和模拟合成污水中SMX的降解效率分别下降了约15%和20%。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

思路,论文,生物毒性,内容

解效果和机理研究，降解的影响因素和条件优化等，最后研究抗生素降解产物的逡逑急性生物毒性评价和模拟废水的处理效果，为其后续的应用提供技术支撑。本研逡逑宄的技术路线如图１．２所示：逡逑１２逡逑

路线图,论文,路线,抗生素

研究o8型复合水凝胶吸附逡逑降解抗生素的效果与机理逡逑图１．１论文的研究思路逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｉｄｅａｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｈｅｓｉｓ逡逑基于以上研宄思路，本论文主要开展了以下几方面的研究内容：（１）新型水逡逑凝胶聚合物和光催化剂的复合制备与特性表征；（２）新型复合水凝胶吸附抗生素逡逑的效果和机理；（３）新型复合水凝胶在可见光照射下降解抗生素的效果和机理；逡逑（４）新型复合水凝胶降解抗生素后产物的急性生物毒性；（５）新型复合水凝胶逡逑对于实验室彳吴拟废水的降解效果。逡逑１．５．３技术路线逡逑技术路线主要为新型复合水凝胶的制备和表征，新型复合水凝胶对抗生素的逡逑暗吸附行为研究，影响因素和吸附机理研究；新型复合水凝胶对抗生素的催化降逡逑解效果和机理研究，降解的影响因素和条件优化等，最后研究抗生素降解产物的逡逑急性生物毒性评价和模拟废水的处理效果

【参考文献】