CN112142181A - 一种预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，包括如下步骤，1)将微米级铁粉磁化，电磁铁的磁化强度为150‑500mT，磁化后，得到预磁化铁粉；2)将步骤1)的预磁化铁粉以及螯合剂，加入到含有抗生素的水体中。本发明方法利用了弱磁场预磁化及小分子螯合剂与金属离子络合的协同作用，磁场加速Fe2+的溶出，配体诱导高效活化O2产生H2O2，自发形成Fenton体系，有效氧化降解废水中的抗生素。其突出特性是相对常规Fe/H2O2体系处理速率更高，无需外加氧化剂，成本更低，适用范围更广。
Description
技术领域
本发明属于污水处理环保技术领域，尤其是涉及一种预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法。
背景技术
抗生素类药物在世界范围内被广泛用于治疗或预防人类及动物疾病，我国是世界上最大的抗生素生产国和消费国，近年来由于抗生素在医疗、养殖等领域的滥用，使得含抗生素的废水大量排放。众多抗生素种类中，磺胺类抗生素因其抗菌谱广、性能稳定、价格亲民、疗效显著被广泛用于医疗、养殖等各个行业，其中磺胺二甲基嘧啶(SMT)是畜牧生产中应用最广泛的磺胺类药物之一，其具有抗菌力强、毒性小、吸收迅速完全、在畜禽体内药效维持时间长等特点，能带来可观的经济效益。但是，动物食品及其制品中过量的药物残留不断进入水环境，会严重损害水体健康，威胁人类生存。
由过氧化氢和亚铁离子在酸性介质中组成的Fenton试剂具有很强的氧化性，被广泛用于难降解有机污染物的处理。此高级氧化技术与抗生素类污染物的传统处理技术与其他新型处理技术相比，具有高效快速、选择性低等优点。但基于Fe2+的传统Fenton法易产生铁泥二次污染、pH适用范围窄、氧化剂H2O2作为·OH自由基的前驱体消耗量大，导致废水处理成本较高。若能直接高效利用水中溶解的氧分子作为·OH自由基的前驱体则会显著降低工艺成本，提高实际应用能力。因此，寻求简单高效低成本的类Fenton高级氧化技术处理抗生素污染极其必要。
由于零价铁(Fe0)价格低廉、安全易得，且能通过腐蚀反应产生Fe2+，因而可替代Fe2+成为Fenton反应的催化剂，并发展起了多种基于零价铁的高级氧化技术。此类高级氧化技术在氯代有机物、偶氮染料、芳香化合物等有机物的去除方面显示了较好的应用前景，但反应过程形成的钝化膜易覆盖在零价铁表面而严重降低其反应活性和污染物的去除速率，使其反应速率远低于Fenton反应，这一缺陷已成为这类高级氧化技术应用中的重要障碍和急需解决的瓶颈。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，该方法能够利用铁的磁性记忆，通过弱磁场的简单预磁化作用促进零价铁表面腐蚀，强化铁的溶出；用小分子螯合剂与金属离子的络合作用维持其可溶态，强化O2向H2O2的转化，并进一步促进铁溶出和循环、自由基的生成；协同提升对抗生素污染物的催化氧化降解效率，扩大Fenton高级氧化技术的pH适用范围，减少氧化剂的消耗，降低成本，发展高效低耗的磁化铁类复合高级氧化新技术。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，包括如下步骤，
1)将微米级铁粉磁化，电磁铁的磁化强度为150-500mT，磁化后，得到预磁化铁粉；
2)将步骤1)的预磁化铁粉以及螯合剂，加入到含有抗生素的水体中。
优选的，步骤1)中，微米级铁粉的粒径为20-100μm。
优选的，步骤1)中，铁粉的磁化方式为固相或液相磁化，磁化介质为水或空气；磁化时间为0.5～5min。
优选的，步骤2)中，螯合剂为EDTA。
优选的，步骤2)中，预磁化铁粉的投加量为0.1～0.4g/L；螯合剂的浓度为1～4mM；抗生素的浓度为1～5mg/L。
优选的，步骤2)中，在机械搅拌器上100～350r/min转速下搅拌反应。
优选的，步骤2)中，抗生素的水体的pH为3-6。
优选的，所述抗生素为磺胺类抗生素，优选的，磺胺类抗生素为磺胺二甲基嘧啶。
本发明还提供一种如上所述的预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法在处理水体中抗生素的应用。
本发明一种用预磁化零价铁和小分子螯合物协同氧化降解水中抗生素的方法。以磺胺类抗生素(磺胺二甲基嘧啶SMT)为降解对象，将铁粉进行预磁化，和螯合剂共同加入SMT溶液体系中，利用预磁化的促进腐蚀和螯合剂的螯合作用，原位形成Fenton体系，以实现对有机难降解抗生素污染物的高效去除。该方法中将零价铁粉在电磁铁提供的强度为150-500mT的磁场中进行0.5-5.0min预磁化后，在待处理的含抗生素废水中加入预磁化铁粉和小分子螯合剂，构成pre-Fe0/螯合剂体系去除水中的抗生素类污染物。该方法利用了弱磁场预磁化及小分子螯合剂与金属离子络合的协同作用，磁场加速Fe2+的溶出，配体诱导高效活化O2产生H2O2，自发形成Fenton体系，有效氧化降解废水中的抗生素。其突出特性是相对常规Fe/H2O2体系处理速率更高，无需外加氧化剂，成本更低，适用范围更广。
相对于现有技术，本发明所述的预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，具有以下优势：
1)通过简便的弱磁场预磁化、异位应用方式，无需改变现有水处理设施，简化了原位磁化水处理工艺，建立了基于磁强化零价铁的高级氧化技术方法，适应性强。
2)将螯合剂应用于零价铁类高级氧化体系，以发挥磁化和络合的协同作用，推动催化组分的有效利用，并直接转化水体中的氧，无需外加氧化剂，实现宽应用范围内抗生素的高效降解。
3)本发明为抗生素类有机污染物的氧化处理提供了新型、稳定、经济、便捷的协同强化途径，为水污染治理和水环境修复提供了高效、实用的技术。突破处理成本高这一高级氧化技术应用的主要瓶颈，具有广阔的推广应用前景和市场。本发明成果的应用，有望达到新兴有机污染物深度净化，可提升污水处理水平，促进水资源回用；也可为医药、化工等行业有机废水的高效处理提供新途径。
附图说明
图1为反应前预磁化和未预磁化的Fe0及有无螯合剂EDTA时反应后磁化Fe0表面接触角对比。
图2为Fe0、pre-Fe0、EDTA、Fe0/EDTA和pre-Fe0/EDTA体系中H2O2生成量的对比。
图3为Fe0、pre-Fe0、EDTA、Fe0/EDTA和pre-Fe0/EDTA体系去除SMT的性能对比。
图4为pre-Fe0/EDTA/N2、pre-Fe0/EDTA/空气和pre-Fe0/EDTA/O2体系中H2O2生成和SMT去除的对比。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
1)将微米级铁粉(50μm)在电磁铁提供的磁场强度为300mT的磁场中干态磁化3min。
2)用去离子水配置500mL浓度为5mg/L的SMT溶液，调节溶液pH为5。
3)依次添加1)中获得的预磁化铁粉pre-Fe0 0.2g/L、螯合剂EDTA 2mM于步骤2)中配置的pH为5的SMT溶液中。
4)空气环境中将3)中获得的溶液置于机械搅拌器上350r/min速度下搅拌反应。
实施例2
1)将微米级铁粉(20μm)置于20ml水溶液中，在电磁铁提供的磁场强度为150mT的磁场中湿态磁化5min，去除水溶液。
2)用去离子水配置500mL浓度为5mg/L的SMT溶液，调节溶液pH为6。
3)依次添加1)中获得的预磁化铁粉pre-Fe0 0.3g/L、螯合剂EDTA 3mM于步骤2)中配置的pH为6的SMT溶液中。
4)空气环境中将3)中获得的溶液置于机械搅拌器上200r/min速度下搅拌反应。
对比预磁化Fe0/螯合剂体系、未磁化Fe0/螯合剂体系与各单一体系在相同条件下的处理效果。
如图1所示(对实施例1中的铁粉进行分析)，反应前，未磁化Fe0接触角为79.4°，pre-Fe0的接触角为56.8°。小接触角的铁材料表面能与水溶液产生更好的接触。反应前pre-Fe0的接触角比Fe0的接触角小，可见预磁化作用可以降低Fe0表面与水的接触角，增强其表面亲水性。无螯合剂EDTA条件下，pre-Fe0在与SMT反应60min后，表面会产生铁氧化物覆盖层，接触角由56.8°增加到69.4°；而有EDTA存在时，反应60min后pre-Fe0的接触角仅为43.1°，证明EDTA的存在可以明显降低pre-Fe0的接触角，增强Fe0表面亲水性，加快反应进程。磁场和螯合剂EDTA的存在均可减小Fe0表面与水的接触角，弱磁场可改变界面水分子的氢键，从而影响了水体内部的分子间相互作用；而EDTA亲水性的羧基基团使溶液更容易与Fe0接触，从而提高其腐蚀速率，促进反应体系中Fe2+离子的溶出。
如图2所示(采用实施例1中的反应条件)，空气环境中反应60min时，Fe0和pre-Fe0体系中仅检测到0.4mg·L-1和0.6mg·L-1的H2O2，远低于Fe0/EDTA和pre-Fe0/EDTA体系中的3.6mg·L-1和5.6mg·L-1。可见，EDTA的加入可以高效激活溶液体系中溶解的O2产生H2O2，进而通过Fe-EDTA的配体诱导，发生氧化还原反应，自发形成Fenton体系，有效氧化降解体系中的SMT。
如图3所示(采用实施例2中的反应条件)，EDTA系统单独作用于SMT时，反应60min内污染物SMT的浓度几乎没有发生变化，说明EDTA不能直接去除SMT。Fe0和pre-Fe0体系对SMT的去除率分别为5.6％和10.6％，而Fe0/EDTA和pre-Fe0/EDTA体系对SMT的去除率分别为64.3％和88.5％。弱磁场的磁化作用促进了Fe0的表面腐蚀，增大了其比表面积，这会加速铁离子的溶出，故磁化体系对SMT的去除效果优于未磁化体系。而EDTA加入后体系对SMT的去除率均显著提升，一方面螯合剂可与Fe离子形成络合物，阻止铁在高pH值下的沉淀，提升溶出铁的可利用性，另一方面Fe2+-EDTA络合物可活化氧，生成H2O2，故在预磁化的基础上加入EDTA更是能显著增强体系对SMT的去除效果。
图4(采用实施例2中的反应条件，将空气环境依次替换为氮气以及氧气)比较了pre-Fe0/EDTA/N2、pre-Fe0/EDTA/空气和pre-Fe0/EDTA/O2三个体系中H2O2的产生及SMT的去除效果。反应60min后，pre-Fe0/EDTA/O2体系中H2O2的累积量(6.7mg L-1)和SMT去除率(94.6％)均明显高于pre-Fe0/EDTA/空气体系(5.1mg L-1，88.5％)和pre-Fe0/EDTA/N2体系(1.0mg L-1，57.8％)。可见，O2的存在的确加速了pre-Fe0/EDTA体系中Fe0的腐蚀和H2O2的生成，从而增强了SMT的去除，也证明了Fe2+-EDTA的活化氧机制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，其特征在于：包括如下步骤，
1)将微米级铁粉磁化，电磁铁的磁化强度为150-500mT，磁化后，得到预磁化铁粉；
2)将步骤1)的预磁化铁粉以及螯合剂，加入到含有抗生素的水体中。
2.根据权利要求1所述的预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，其特征在于：步骤1)中，微米级铁粉的粒径为20-100μm。
3.根据权利要求1所述的预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，其特征在于：步骤1)中，铁粉的磁化方式为固相或液相磁化，磁化介质为水或空气；磁化时间为0.5～5min。
4.根据权利要求1所述的预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，其特征在于：步骤2)中，螯合剂为EDTA。
5.根据权利要求1所述的预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，其特征在于：步骤2)中，预磁化铁粉的投加量为0.1～0.4g/L；螯合剂的浓度为1～4mM；抗生素的浓度为1～5mg/L。
6.根据权利要求1所述的预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，其特征在于：步骤2)中，在机械搅拌器上100～350r/min转速下搅拌反应。
7.根据权利要求1所述的预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，其特征在于：步骤2)中，抗生素的水体的pH为3-6。
8.根据权利要求1所述的预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法，其特征在于：所述抗生素为磺胺类抗生素，优选的，磺胺类抗生素为磺胺二甲基嘧啶。
9.根据权利要求1-8任一项所述的预磁化零价铁/螯合剂体系处理水中抗生素的方法在处理水体中抗生素的应用。
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|---|---|---|---|---|
| CN115779903A (zh) * | 2022-12-06 | 2023-03-14 | 南京环保产业创新中心有限公司 | 一种用于工业污水处理的芬顿反应催化剂及其制备方法与应用 |
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