改性石墨烯-生物炭復合材料對磺胺類抗生素的吸附

張 江，孫寧寧，張景環(huán)，喬永亮，白月陽，丁雅楠，馬文靜，伍奕軒，謝 丹

(青島科技大學 環(huán)境與安全工程學院，山東 青島 266042)

磺胺類抗生素在水體中頻繁檢出[1]。生物炭具有較大的比表面積和豐富的含氧功能團，是一種去除抗生素的高效且廉價的吸附劑[2-3]。由于單一生物炭對抗生素的去除效果有限，越來越多的學者將生物炭與其他材料復合，合成具有新性能、新結(jié)構(gòu)的材料，提高吸附材料的性能[4-5]。因此，本文研究海藻酸鈉和磁性改性石墨烯-生物炭復合材料對磺胺的吸附，對水中抗生素的去除，具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 藥品

磺胺嘧啶純度為99.9%，購自中國藥品生物制品檢定所，分子量為250.3 g/mol，LogKow為-0.09。

1.2 石墨烯-生物炭復合材料的制備

稱取5.0 g栗子殼粉末，加入100 mL石墨烯懸浮液中攪拌1 h，混合物在80 ℃干燥3 h，放入馬弗爐中，400 ℃缺氧熱解1 h。冷卻研磨過篩后保存。

1.3 海藻酸鈉-石墨烯-生物炭復合材料的制備

將1.5 g海藻酸鈉溶于50 mL水中得到海藻酸鈉水溶液，加入2.0 g石墨烯-生物炭復合材料，超聲1 h，用注射器將上述混合溶液滴入5 %氯化鈣溶液中，固化為凝膠球，去掉氯化鈣溶液，干燥24 h，得到海藻酸鈉-石墨烯-生物炭復合材料。

1.4 磁性-石墨烯-生物炭復合材料的制備

將1.0 g石墨烯-生物炭復合材料溶于1 L去離子水中，超聲2 h，得到石墨烯-生物炭懸浮液。將5.0 g FeCl3·6H2O溶于100 mL去離子水中，得到氯化鐵溶液。將石墨烯-生物炭懸浮液與氯化鐵溶液混合，調(diào)節(jié)溶液pH值=10，磁力攪拌24 h。溶液加熱濃縮致粘稠狀態(tài)，將干燥后的固體物在400℃下灼燒 1 h，得到磁性-石墨烯-生物炭復合材料。

1.5 吸附實驗

稱取40 mg復合材料放入50 mL離心管，加入40 mL 20 mg·L-1的磺胺嘧啶溶液。用0.01 mol·L-1NaOH和HCl調(diào)節(jié)溶液pH值=6，25℃避光振蕩，在吸附劑剛剛接觸抗生素溶液開始計時，隨著吸附的進行，在一定的時間取樣，離心分離，采用高效液相色譜法測定上清液中磺胺嘧啶的濃度，直至殘留濃度不再變化或出現(xiàn)波動即表示吸附基本達到平衡。在pH值對吸附的影響實驗中，用0.01 mol·L-1NaOH和HCl調(diào)節(jié)溶液pH值在3～9之間。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附動力學

圖1表明，石墨烯-生物炭復合材料對磺胺嘧啶的吸附量隨著吸附時間的增加而增加，在48 h后吸附量的變化不大，基本達到平衡。因此吸附平衡時間是48 h。

圖1 吸附動力學

2.2 pH值對吸附的影響

圖2表明，當pH值<6.0時，磺胺嘧啶的吸附量隨著pH值的增加而增加。在pH值=6.0時，石墨烯-生物炭、磁性-石墨烯-生物炭和海藻酸鈉-石墨烯-生物炭復合材料對磺胺嘧啶的吸附量最高，分別為5.19,22.0和29.4 mg/kg. 海藻酸鈉和磁性改性遠遠增強了對磺胺嘧啶的吸附能力。并且海藻酸鈉-石墨烯-生物炭復合材的吸附能力大于磁性-石墨烯-生物炭復合材料。這主要是由于海藻酸鈉改性增加了石墨烯-生物炭復合材料的孔隙結(jié)構(gòu)。

圖2 pH值對吸附的影響

3 結(jié)論

(1) 吸附動力學實驗表明，吸附平衡時間為48 h。

(2) 海藻酸鈉和磁性改性增加了對磺胺嘧啶的吸附能力。

(3) pH值=6.0時，磺胺嘧啶的吸附量最高。

參考文獻

[1]Zhang Q,Jia A,Wan Y,et al. Occurrences of three classes of antibiotics in a natural river basin: association with antibiotic-resistant Escherichia coli [J]. Environmental Science and Technology,2014,48:14317-14325.

[2]Ahmed M B,Zhou J L,Ngo H H,et al. Adsorptive removal of antibiotics from water and wastewater: Progress and challenges [J].Science of the Total Environment,2015,532: 112-126.

[3]李雪病,付 浩,林朋飛,等.水中典型磺胺類抗生素的活性炭吸附性能探究[J]. 給水排水,2016,42(1):36-41.

[4]呂宏虹,宮艷艷,唐景春,等.生物炭及其復合材料的制備與應用研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2015,34(8):1429-1440.

[5]李玉姣.生物炭及復合材料的制備及應用性能研究[D].長春:吉林大學博士學位論文,2015.