碳纳米管修饰电极电催化还原去除废水中的氯霉素类抗生素

发布时间：2017-08-14 14:42

  本文关键词：碳纳米管修饰电极电催化还原去除废水中的氯霉素类抗生素

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【摘要】：抗生素具有广谱高效的杀菌特性,被广泛应用于人类和动物疫病防控。特别是规模化畜禽养殖和水产养殖产生的粪便中含有大量抗生素,它们可以通过施肥和灌溉等方式进入土壤和水环境,不仅影响生态环境安全,还可通过食物链进入人体,影响人体健康。抗生素作为环境新型污染物,已经引起学术界、政府和公众的广泛关注。以氯霉素(CAP)、甲砜霉素(TAP)和氟苯尼考(FF)为代表的氯霉素类抗生素是一类典型抗生素,能够引起血液系统毒性、灰婴综合症和胚胎毒性等症状,在废污水和水环境中被频繁检出,其环境危害不容忽视。针对水环境中大量存在的氯霉素类抗生素,研究简便有效的去除方法,对于保护水环境质量和人体健康都具有重要的意义。目前,水体中抗生素的去除方法主要有传统处理法、氧化法、吸附法和薄膜法等,这些方法存在处理效率低、投资大、能耗高或容易造成二次污染等问题。电化学法具有高效、低成本、操作简便和环境友好等特点,其中电氧化处理抗生素需要较高的氧化电位,氧化电位过高不仅增加能耗,严重腐蚀电极,还会加剧析氧、析氯等副反应;电还原技术处理抗生素表现出一定的潜力,却受到电极材料的制约。碳纳米管具有长径比和比表面积大、稳定性强和量子效应明显等特性,用做修饰材料能够降低电极的过电势,增加电流响应,提高电极的选择性和灵敏度。通常直接将碳纳米管超声分散在纯水中,成膜效果不理想,而表面活性剂同时具有亲水和亲脂特性,能够将碳纳米管均匀稳定地分散在水中。为此,本研究采用表面活性剂分散碳纳米管,研制碳纳米管修饰电极,通过电催化还原去除模拟废水中的氯霉素类抗生素,鉴定其还原产物,探讨氯霉素类抗生素的电催化还原机制,获得如下的主要研究结果:1.获得碳纳米管修饰电极的最佳制备条件,即采用双十六烷基磷酸(DHP)分散多壁碳纳米管(MWCNTs),控制MWCNTs和DHP的配比为1:1,滴涂15μL分散液于玻碳电极上。采用扫描电镜分析与循环伏安分析对制备的修饰电极进行表征,发现碳纳米管被成功修饰到玻碳电极表面。2.获得电催化还原氯霉素类抗生素的最佳条件,即还原CAP的偏压为-1.1V,还原TAP和FF的偏压为-1.2V,底液为0.1mol/L的NH_3·H_2O-NH_4Cl溶液和初始pH为7。电催化还原处理浓度为2mg/L的CAP、TAP和FF的模拟废水24h,获得的去除率分别为93.57%、86.67%和89.49%,去除过程均符合一级反应动力学模型,去除速率常数分别为0.1222、0.0837和0.0915h~(-1),半衰期分别为5.67、8.28和7.56h。本方法特别适合于处理低浓度的氯霉素类抗生素废水,处理浓度为1mg/L的CAP、TAP和FF的模拟废水12h,获得的去除率分别为82.71%、76.19%和78.44%,再生3次的修饰电极对3种抗生素的去除率分别达到79.04%、70.59%和71.18%。3.当偏压为-1.2V、底液为0.1mol/LNH_3×H_2O-NH_4Cl溶液、初始pH为7时,电催化还原处理浓度均为2mg/L的CAP、TAP和FF的混合模拟废水24h,获得的去除率分别为82.95%、68.12%和78.56%,去除过程符合一级反应动力学方程,去除速率常数分别为0.0757、0.0473和0.0618h~(-1),半衰期分别为9.16h、14.65h和11.22h。4.采用液相色谱-串联质谱分析法(LC-MS/MS),鉴定了CAP、TAP和FF的还原产物,分析了电催化还原CAP、TAP和FF的可能途径。研究发现,电催化不仅还原了CAP中的硝基,还可以进一步还原羰基;电催化不仅还原了TAP、FF中的羰基,还可以部分甚至全部脱氯。
【关键词】：碳纳米管 修饰电极 电催化还原 氯霉素类抗生素 还原机制
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-13
• 第1章 文献综述13-27
• 1.1 氯霉素类抗生素13-18
• 1.1.1 氯霉素类抗生素的理化性质13-14
• 1.1.2 氯霉素类抗生素的使用及其危害14-16
• 1.1.3 氯霉素类抗生素污染现状16-18
• 1.2 抗生素处理方法研究进展18-23
• 1.2.1 传统处理法18-19
• 1.2.2 氧化法19-21
• 1.2.3 吸附法21
• 1.2.4 薄膜法21
• 1.2.5 电化学法21-22
• 1.2.6 其它处理方法22-23
• 1.3 碳纳米管及其应用23-25
• 1.3.1 碳纳米管的结构23
• 1.3.2 碳纳米管的特性23
• 1.3.3 碳纳米管的应用23-24
• 1.3.4 碳纳米管的分散24-25
• 1.4 总结与展望25-27
• 第2章 引言27-31
• 2.1 研究目的与意义27-28
• 2.2 研究内容28
• 2.2.1 碳纳米管修饰电极的制备与表征28
• 2.2.2 电催化还原去除氯霉素类抗生素28
• 2.2.3 电催化还原去除氯霉素类抗生素的机制分析28
• 2.3 研究特色28-29
• 2.4 技术路线29-31
• 第3章 材料与方法31-39
• 3.1 实验材料31
• 3.2 主要仪器与试剂31-33
• 3.2.1 主要仪器31-32
• 3.2.2 主要试剂32-33
• 3.3 实验步骤与方法33-35
• 3.3.1 电催化还原装置33
• 3.3.2 碳纳米管修饰电极的制备与表征33-34
• 3.3.3 电催化还原去除单一抗生素34-35
• 3.3.4 电催化还原去除混合抗生素35
• 3.3.5 电催化还原氯霉素类抗生素的机制分析35
• 3.4 分析测试方法35-37
• 3.4.1 氯霉素类抗生素的测定方法35-37
• 3.4.2 抗生素及其还原产物的鉴定37
• 3.5 数据处理与分析方法37-39
• 第4章 结果与讨论39-61
• 4.1 碳纳米管修饰电极的制备与表征39-43
• 4.1.1 碳纳米管修饰电极的制备39-41
• 4.1.2 碳纳米管修饰电极的表征41-43
• 4.2 电催化还原去除单一抗生素43-49
• 4.2.1 电催化还原条件的优化43-46
• 4.2.2 电催化还原氯霉素类抗生素的动力学特征46-47
• 4.2.3 抗生素浓度对电催化还原的影响47-48
• 4.2.4 碳纳米管修饰电极的再生48-49
• 4.3 电催化还原去除混合抗生素49-52
• 4.4 电催化还原氯霉素类抗生素的机制分析52-61
• 4.4.1 电催化还原氯霉素的机制分析53-55
• 4.4.2 电催化还原甲砜霉素的机制分析55-57
• 4.4.3 电催化还原氟苯尼考的机制分析57-61
• 第5章 结论与建议61-63
• 5.1 主要结论61
• 5.2 建议61-63
• 参考文献63-73
• 致谢73-75
• 在学期间发表论文和参加的科研项目75

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本文编号：673204