改性荷葉對水溶液中環丙沙星的動態吸附研究

趙 哲，張向陽，任珊珊，李清亮

(鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州 450001)

隨著社會的發展，工業、農業和人類生活等領域產生了越來越多的含有抗生素的廢水。排放在環境中的抗生素很難被大自然降解，它能通過食物鏈的富集作用進入到人體，嚴重危害人體健康，所以這些廢水必須得到合適地處理。

吸附法是一種高效廢水處理方法。目前，采用生物質吸附劑是研究的熱點之一，在以往的研究中，指甲花葉[1]、柚子皮[2]、板栗殼[3]、花生殼[4]、稻殼[5]等生物質材料被作為吸附劑處理抗生素廢水，而采用農業廢棄物荷葉處理抗生素廢水的研究卻未見報道。

本文采用氫氧化鈉改性荷葉為吸附材料，研究其對水中環丙沙星的動態吸附性能，為綜合利用農業廢棄物荷葉開辟新的應用途徑，充實了廢水中環丙沙星動態吸附的理論。

1 實驗部分

1.1 吸附劑材料的制備

首先將荷葉粉碎、過篩，取粒徑0.45～0.9 mm的荷葉置于質量分數為10 %的氫氧化鈉溶液中浸泡120min，得到改性荷葉，過濾，用蒸餾水反復清洗改性荷葉至中性，然后將其置于60 ℃的恒溫干燥箱中烘360min，取出，于試劑瓶中保存備用。

1.2 改性荷葉對環丙沙星的動態吸附實驗

分別稱取一定量的改性荷葉裝入玻璃吸附柱中，先用蒸餾水沖洗浸泡10min后，在室溫下，一定濃度C0的CPX溶液通過蠕動泵以固定的流速流過吸附柱，定時取樣，用紫外分光光度計測定濾液的濃度Ct，直至出口濃度不再變化為止，并繪制不同因素影響下Ct/C0隨著時間t(min)變化的穿透曲線。

1.3 數據分析

對于給定的吸附柱，在已知流速和流入濃度下，吸附劑總的吸附量qtotal通過式(1)計算：

改性荷葉的單位吸附量qcal可以用方程(2)來計算：

其中，C0(mg/L)是CPX溶液的初始濃度；Ct(mg/L)是t時刻流出溶液的濃度；ttotal(min)為達到飽和的時間；m(g)為柱內改性荷葉的質量；Q(min/L)為溶液的體積流速。

2 結果與討論

2.1 改性荷葉床層高度的影響

在吸附柱入口CPX的質量濃度為100 mg/L，溶液流量為4 mL/min的條件下，研究不同改性荷葉床層高度對穿透曲線的影響，結果見圖1和表1。隨著床層高度的增加，吸附量增大，穿透時間也增加。這是因為隨著改性荷葉床層高度的增加，柱子中改性荷葉的質量增大，溶液中的CPX分子與改性荷葉接觸的時間會增大，導致了CPX的去除率增加。

圖1 不同柱高下實驗穿透曲線與Thomas擬合曲線的比較

2.2 溶液初始濃度影響

選取CPX溶液流速為4 mL/min，床層高度為9.3 cm，研究不同CPX溶液初始濃度對穿透曲線的影響。結果如圖2和表1。CPX溶液初始濃度越高，改性荷葉對CPX的吸附機率就隨之增加，它表面的吸附點位的利用率也隨之增大。因此，CPX溶液的初始濃度越大，改性荷葉對CPX的吸附量就會越大，吸附達到飽和的時間越短，穿透曲線的斜率就越大。

圖2 不同濃度下實驗穿透曲線與Thomas模型擬合曲線的比較

2.3 溶液流速的影響

選取CPX的初始濃度為100 mg/L，改性荷葉床層高度為9.3 cm，研究不同流速對穿透曲線的影響，穿透曲線如圖3所示。當CPX溶液流速減少時，穿透曲線的斜率減小，吸附柱的穿透時間明顯增加，這是因為在低流速下，CPX溶液穿過吸附柱的時間增長，這樣CPX分子與改性荷葉有了更多的接觸時間，使得溶液中CPX的去除率提高，穿透時間延長[6]。

圖3 不同流速下實驗穿透曲線與Thomas模型擬合曲線的比較

2.4 Thomas模型的應用

用Thomas模型[7]對改性荷葉吸附環丙沙星的柱吸附數據進行非線性擬合，結果見圖1～3和表1。Thomas吸附動力學模型如下：

式中，kTh(mL/(min·mg))是Thomas速率常數；q0(mg/g)是平衡時改性荷葉的單位吸附量；m (g)是柱中改性荷葉的質量；v (mL/min)是溶液的流速。

表1 不同操作條件下改性荷葉的吸附量及Thomas模型參數

從表1可以看出，相關系數均在0.99以上，表明Thomas模型能較好地描述CPX的動態吸附過程。隨著床層高度的增加，改性荷葉的飽和吸附量出現明顯的增大，速率常數kTh明顯減小。這是因為床層的增高使得CPX與改性荷葉接觸時間增長，同時吸附劑提供的活性點位增多。當溶液的流速增大時，平衡吸附量明顯減小，此時kTh會增大，這是因為在高流速下，溶液穿過柱子的時間很短，CPX在柱子里面沒有足夠的停留時間，不能有效的擴散到改性荷葉內。當流入溶液的濃度增加時，高濃度對傳質速率的增加有利，所以平衡吸附量隨之增加，kTh的值也增加。

3 結論

改性荷葉能通過動態吸附裝置有效地吸附水體中環丙沙星；動態吸附實驗結果表明。隨著吸附劑填充量的增加，穿透吸附量和穿透時間增加，穿透曲線更加平緩。隨著溶液初始濃度的增大及溶液流量的增加，穿透時間減少，穿透曲線前移。采用Thomas模型對實驗數據進行線性擬合，得到模型的相關系數均在0.99以上，說明改性荷葉對環丙沙星的動態吸附行為符合Thomas模型。

參考文獻

[1]李瑞玲,張愛江,宋 標.改性指甲花葉對Cr(Ⅵ)的吸附研究[J].化工新型材料,2017(6):242-243.

[2]符艷真.改性柚皮對水體中氟喹諾酮類抗生素的吸附研究[D].鄭州:鄭州大學,2017.

[3]Mohammadi A S,Sardar M,Almasian M.Equilibrum and kinetic studies on the adsorption of penicillin G by chestnut shell[J].Environmental Engineering & Management Journal,2016,1(15):167-173.

[4]劉 希,張宇峰,羅 平.改性花生殼對四環素類抗生素的吸附特性研究[J].環境污染與防治,2013,35(5):35-39.

[5]紀營雪,王風賀,張 帆,等.稻殼灰對抗生素磺胺的吸附特性研究[J].環境科學,2013,34(10):3912-3920.

[6]Han R,Yu W,Xin Z,et al.Adsorption of methylene blue by phoenix tree leaf powder in a fixed-bed column: experiments and prediction of breakthrough curves[J].Desalination,2009,245(1):284-297.

[7]Nandanwar S U,Kai C,Porter A,et al.Adsorption of radioactive iodine and krypton from off-gas stream using continuous flow adsorption column[J].Chemical Engineering Journal,2017,320:222-231.