CN111634991A - 一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，解决了现有高铁酸盐在抗生素降解应用中对抗生素具有很强的选择性，而且在碱性条件下，去除率不高等缺陷。本发明的技术方案为：一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，在高铁酸盐降解抗生素污染物体系中，加入改性炭材料作为活化剂，通过pH缓冲试剂调节溶液pH值，在间隔一定时间取样检测污染物浓度。本发明用改性炭材料活化高铁酸盐，大幅度提高高铁酸盐降解污染物效率；使用的改性炭材料制备方法简单，合成条件温和；本发明的反应体系简单易行，绿色环保无二次污染，反应条件温和，有利于在污染治理技术中推广应用。

Description

一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用
技术领域
本发明属于高铁酸盐活化及污染物治理的技术领域，具体涉及一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用。
背景技术
抗生素被广泛应用于人类和兽类疾病的预防和治疗，以及动物饲养添加剂中。然而，所使用的抗生素不能被机体完全吸收，导致抗生素在环境系统内形成持续输入与持久存在现象，严重威胁着人类的健康和生态环境的稳定。抗生素具有成分复杂和难降解等特点，大部分传统水处理技术对抗生素这类污染物去除率仍然达不到国家允许的排放标准。因而，研发经济高效、绿色环保的抗生素深度处理技术具有重要意义。
近几十年来，高铁酸盐氧化技术被作为一种经济、环境友好技术得到了广泛研究。但高铁酸盐在抗生素降解应用中也存在一些缺陷，比如对抗生素具有很强的选择性，而且在碱性条件下，去除率不高，极大制约了高铁酸盐的实际应用，对高铁酸盐进行活化被认为是一种提高高铁酸盐降解效率的有效手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性炭材料对高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，改性炭材料制备条件温和，活化方法简单易行、使用设备便宜简便、适用于工业化发展，有利于推广；应用于环境污染治理，可大幅提高高铁酸盐降解污染物的效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，具体实施方案如下：
在高铁酸盐降解抗生素污染物体系中，加入改性炭材料作为活化剂，通过pH缓冲试剂调节溶液pH值，在间隔一定时间取样检测污染物浓度。
所述的高铁酸盐降解污染物体系的pH范围为4~10，反应温度为10~50 ℃，反应时间为1~180 min。
所述的改性炭材料为表面具有羟基及羧基含氧官能团的水热炭Hydrochar或氧化石墨烯GO。
所述的抗生素污染物为卡马西平、双氯芬、新诺明、磺胺地托辛、阿替洛尔、甲氧苄氨嘧啶、咖啡因、氟甲喹中的一种或多种。
所述水热炭Hydrochar的制备方法为：将糖类化合物溶于水中得到糖水溶液，再将糖水溶液移入高压反应釜中，在180℃的温度下恒温10 h，所得沉淀物经离心洗涤、干燥、研磨，得到粉末样品。
所述氧化石墨烯GO的制备方法为：称取一定量的鳞片石墨粉，在冰水浴条件下，经高锰酸钾、H2O2氧化，再经透析净化，超声剥离，干燥后得到GO样品。
所述高铁酸盐降解抗生素污染物体系中，每立方米污染物需要的改性炭材料用量为10-1000g。
所述的高铁酸盐为高铁酸钾或高铁酸钠。
所述高铁酸盐降解抗生素污染物体系中，每立方米污染物需要的高铁酸盐的用量为1~1000 g
所述的缓冲溶剂为硼酸盐溶液或磷酸盐溶液，浓度为10-1000g/m3。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
（1）本发明首次用改性炭材料活化高铁酸盐，改性炭材料表面的含氧官能团能与高铁酸盐(FeVI)反应，产生高活性物种FeV/FeIV，能大幅度提高高铁酸盐降解污染物效率；
（2）本发明的改性炭材料制备方法简单易行，不需要复杂昂贵的设备、合成条件温和，有利于大规模的推广；
（3）本发明的反应体系简单易行，绿色环保无二次污染，反应条件温和，有利于在污染治理技术中推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例1和2中改性炭材料的红外光谱图；
图2是本发明实施例1中水热炭活化高铁酸盐降解卡马西平（CBZ）的活性图；
图3是本发明实施例2中氧化石墨烯(GO)活化高铁酸盐降解双氯芬酸（DCF）的活性图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解污染物中的应用，具体实施方案如下：
高铁酸盐降解污染物体系中，加入制备的改性炭材料作为活化剂，通过pH缓冲试剂调节溶液pH值，以抗生素类药物作为目标污染物，在间隔一定时间取样检测污染物浓度。
所述的高铁酸盐为高铁酸钾、高铁酸钠。
所述高铁酸盐降解抗生素污染物体系中，每立方米污染物需要的高铁酸盐的用量为1~1000 g
所述的改性炭材料为水热炭（Hydrochar）、氧化石墨烯（GO）中的一种。
所述的改性炭材料有水热炭、氧化石墨烯表面富含含氧官能团，如羟基(-OH)、羧基（-COOH）等。
所述的改性炭材料表面的含氧官能团能与高铁酸盐(FeVI)反应，产生高活性物种FeV/FeIV，能极大提高降解污染物效率。
所述高铁酸盐降解抗生素污染物体系中，每立方米污染物需要的改性炭材料用量为10-1000g。
所述水热炭Hydrochar的制备方法为：将糖类化合物溶于水中得到糖水溶液，再将糖水溶液移入高压反应釜中，在180℃的温度下恒温10 h，所得沉淀物经离心洗涤、干燥、研磨，得到粉末样品。
所述氧化石墨烯GO的制备方法为：称取一定量的鳞片石墨粉，在冰水浴条件下，经高锰酸钾、H2O2氧化，再经透析净化，超声剥离，干燥后得到GO样品。
所述的缓冲溶剂为硼酸盐溶液或磷酸盐溶液，浓度为10-1000g/m3。
所述的抗生素污染物为卡马西平、双氯芬酸、新诺明、磺胺地托辛、阿替洛尔、甲氧苄氨嘧啶、咖啡因、氟甲喹中的一种或多种。
所述的高铁酸盐降解污染物体系的pH范围为4~10，反应温度为10~50 ℃，反应时间为1~180 min。
实施例1
将制得的改性炭材料用于活化高铁酸盐降解抗生素，反应是在100 mL的烧杯中进行的，温度控制在实验室的恒温（25±1 ℃），先配好10 mM的硼酸钠缓冲溶液，用硼酸钠缓冲溶液配100 mM的高铁酸盐溶液及20 µM的卡马西平溶液，另外，配好20 mM羟胺（NH2OH）溶液。称取1 mg Hydrochar炭材料，量取10mL高铁酸盐溶液，10 mL卡马西平溶液加入反应器中，持续搅拌。间隔5 min取1 mL反应液经过滤膜过滤至加有10 µL羟胺溶液的液相色谱进样瓶中，用高效液相色谱对取得的样品进行检测分析。
图1是实施例1和例2制备改性炭样品的红外光谱图，从图1中可看出样品的特征官能团，如-OH, -COOH，-C-O等。
图2是实施例1中水热炭活化高铁酸盐降解卡马西平（CBZ）的活性图，反应30 min，空白高铁酸盐降解卡马西平（CBZ）效率为32%，在添加水热炭材料后，CBZ的降解率达到99%，说明水热炭材料可以活化高铁酸盐大幅度提高降解CBZ的效率。
实施例2
将制得的改性炭材料用于活化高铁酸盐降解抗生素，反应是在100 mL的烧杯中进行的，温度控制在实验室的恒温（25±1 ℃），先配好10 mM的硼酸钠缓冲溶液，用硼酸钠缓冲溶液配100 mM的高铁酸盐溶液及20 µM的双氯芬酸（DCF）溶液，另外，配好20 mM羟胺（NH2OH）溶液。称取1 mg 氧化石墨烯GO材料，量取10mL高铁酸盐溶液，10 mL双氯芬酸（DCF）溶液加入反应器中，持续搅拌。间隔5 min取1 mL反应液经过滤膜过滤至加有10 µL羟胺溶液的液相色谱进样瓶中，用高效液相色谱对取得的样品进行检测分析。
图3为实施例2氧化石墨烯(GO)活化高铁酸盐降解双氯芬酸（DCF）的活性图，反应30 min，空白高铁酸盐降解双氯芬酸（DCF）效率为32%，在添加GO后，反应15 min, DCF的降解率就达到99%，说明氧化石墨烯GO可以活化高铁酸盐大幅度提高降解DCF效率。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，其特征在于：
在高铁酸盐降解抗生素污染物体系中，加入改性炭材料作为活化剂，通过pH缓冲试剂调节溶液pH值，在间隔一定时间取样检测污染物浓度。
2.根据权利要求1所述的一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，其特征在于：
所述高铁酸盐降解污染物体系的pH范围为4~10，反应温度为10~50 ℃，反应时间为1~180 min。
3.根据权利要求2所述的一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，其特征在于：
所述的改性炭材料为表面具有羟基及羧基含氧官能团的水热炭Hydrochar或氧化石墨烯GO。
4.根据权利要求3所述的一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，其特征在于：
所述的抗生素污染物为卡马西平、双氯芬、新诺明、磺胺地托辛、阿替洛尔、甲氧苄氨嘧啶、咖啡因、氟甲喹中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，其特征在于：
所述水热炭Hydrochar的制备方法为：将糖类化合物溶于水中得到糖水溶液，再将糖水溶液移入高压反应釜中，在180℃的温度下恒温10 h，所得沉淀物经离心洗涤、干燥、研磨，得到粉末样品；
所述氧化石墨烯GO的制备方法为：称取一定量的鳞片石墨粉，在冰水浴条件下，经高锰酸钾、H2O2氧化，再经透析净化，超声剥离，干燥后得到GO样品。
6.根据权利要求5所述的一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，其特征在于：
所述高铁酸盐降解抗生素污染物体系中，每立方米污染物需要的改性炭材料用量为10-1000g。
7.根据权利要求6所述的一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，其特征在于：
所述的高铁酸盐为高铁酸钾或高铁酸钠；所述高铁酸盐降解抗生素污染物体系中，每立方米污染物需要的高铁酸盐的用量为1~1000 g。
8.根据权利要求7所述的一种改性炭材料在活化高铁酸盐降解抗生素污染物的应用，其特征在于：
所述的缓冲溶剂为硼酸盐溶液或磷酸盐溶液，浓度为10-1000g/m3。
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