磁性纳米材料的合成及其对水中抗生素的吸附去除研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 鲍晓磊 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2013-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 强志民 |
| 关键词 | 抗生素 磁性纳米材料 表面修饰 吸附 水处理 Antibiotics Magnetic nanoparticles Surface modification Adsorption Water treatment |
| 其他题名 | Synthesis of magnetic nanoparticles and their application for adsorptive removal of antibiotics from water |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 中文摘要 | 近年来，抗生素作为一类重要的药物已经在预防、治疗人类和动物疾病，促 进畜禽生长等领域得到了广泛的应用。2009 年，我国抗生素产量合计14.7 万吨，其中2.47 万吨用于出口，产量和出口量均位居世界第一。然而，人、畜摄入的抗生素多数不能被吸收利用而以母体或代谢产物的形式排出体外，进入污水系统或直接排放到环境中。由于抗生素可诱导抗药菌的产生从而导致潜在的生态环境风险，其危害已经引起了公众越来越多的关注。 本课题设计、合成了多种磁性纳米颗粒，优化了其合成条件，并对其表面进 行了功能化修饰。基于所制备的磁性纳米材料优良的表面和磁学性质，将其作为 吸附剂，深入研究了其对水中抗生素类药物的吸附去除过程并探讨了吸附剂表面 性质、吸附条件对吸附去除率的影响，推导了抗生素在磁性材料表面可能的吸附 机理。获得的主要结果如下： 采用超声辅助水热技术合成了一系列尖晶石型磁性纳米颗粒，其通式为MFe2O4（M = FeII、MnII、CoII、ZnII），对所制备材料的晶型、元素组成和比例、形貌、磁性能以及表面官能团进行了系统表征，并研究了NaOH 浓度和水热温度对MFe2O4 纳米颗粒结晶体的影响。随后，将所制备的磁性颗粒用于3 种四环素类抗生素（四环素、土霉素、金霉素）的去除。结果表明，3 种四环素在磁性颗粒上的平均去除率均 > 96% (5 min)，12 h 时的四环素接近完全去除（> 99%）。 动力学研究表明，土霉素（OTC）在所制备材料上的吸附动力学数据符合准二级动力学方程，说明吸附过程可分为两个过程，即外扩散过程和界面扩散过程。基于磁性颗粒的表面性质和Fe3O4 吸附四环素（TCN）后的表面官能团变化，推测了四环素类抗生素以氢键和表面络合机制在磁性颗粒上的吸附机理。使用后的磁性颗粒可经60%甲醇溶液浸渍洗涤后快速再生，再生后的磁性颗粒可继续用于抗生素的吸附，重复使用9 次后其吸附能力几乎没有降低，均能保持在98%以上。 通过水热分解技术合成了一种性能优良的磁性纳米颗Fe3O4@C（碳包裹的Fe3O4），对其进行了系统表征，随后应用于去除水中5 种常见的磺胺类抗生素（SAs）。由于同时具有外层功能化碳壳和内层磁核的优势，Fe3O4@C 对所选择的SAs 显示了良好的吸附能力和强的磁分离能力。SAs 在Fe3O4@C 上的吸附动力学符合准二级动力学方程；吸附等温线可用Dual-mode 模型来拟合，表明吸附过程包含一个初期的线性分配过程和随后的孔填充过程。溶液pH 对吸附过程有显著的影响，在pH 4.8 时，所选择的SAs 均达到最大的吸附去除率（74–96%）。氢键和静电引力是吸附的主要驱动力，此外，SAs 和Fe3O4@C 表面官能团之间存在的电子给-受作用也可能在一定程度上促进吸附过程。 设计合成了一种新型的磁性介孔纳米复合材料FeM48，并将其用于去除水中的磺胺二甲嘧啶抗生素。结果表明，吸附过程以外部和界面扩散为速率控制步 骤，吸附动力学数据可用准二级动力学方程表达；不同温度下的吸附等温线可用 Freundlich 方程拟合，热力学数据分析揭示SMN 在FeM48 上的吸附为自发进行的放热过程。溶液pH 对吸附过程产生了显著的影响，在pH 6.3 时吸附量最大。共存阴离子和腐殖酸对吸附的影响较小，说明FeM48对SMN的吸附具有选择性。SMN 的苯胺、磺酰胺和嘧啶官能团与FeM48 的表面羟基之间的氢键力是吸附作用的主要驱动力；此外，SMN（π 电子受体）和MCM-48（π 电子给体）之间的π-π 电子给-受作用也对吸附过程有一定的促进作用。 通过自组装技术在CoFe2O4 表面包裹分子筛MCM-48，合成了一种新型的“核/壳”结构磁性纳米复合材料CoFeM48，并对其结构和磁学性质进行了表征。结果表明，CoFeM48 对水中5 种常见磺胺类抗生素表现出了良好的吸附性能，15℃时的平衡吸附量在68.9 μg•g-1（磺胺二甲嘧啶）至99.6 μg•g-1（磺胺甲二唑）之间。吸附过程符合准二级动力学方程，吸附等温线可用Freundlich 方程拟合。热力学分析表明，CoFeM48 对磺胺类抗生素的吸附是以物理吸附为主的自发放热过程。磺胺类抗生素在CoFeM48 上的吸附差异与其pKa、分子体积、孤对电子数、空间位阻等密切相关。 |
| 公开日期 | 2014-07-09 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7564]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境水质学国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 鲍晓磊. 磁性纳米材料的合成及其对水中抗生素的吸附去除研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2013. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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