麥飯石對氧氟沙星廢水的吸附特性研究

王德威 王金鋒

（1.桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西桂林 541000；2.商丘師范學院建筑工程學院，河南商丘 476100）

0.引言

抗生素作為較為常見的消炎藥物，被廣泛用于醫藥生產和獸禽養殖行業[1]。由于抗生素在動物體內的利用效率低，大量抗生素因未被利用而隨尿液和糞便排放至環境中，抗生素廢水污染問題已經成為世界性難題，推廣有效的抗生素廢水處理技術對改善全球化的抗生素水污染問題具有重要意義。氧氟沙星（OFL）是一類常見廣譜抗生素，其種類多、使用量大且難以被生物代謝，屬于難降解污染物，較為頻繁地在污水處理廠中被檢出[2]。

吸附法是較為常見的廢水深度處理技術，吸附法因吸附材料處理效率高、工藝簡單和操作便捷等優點一直被廣泛應用[3]。目前最為常見的吸附劑為活性炭（AC），由于內部形狀的不規則性，其對廢水中有機污染物的吸附能力較強[4]，但是粉末活性炭原料成本高，堆密度低，不易儲存，運輸和回收過程中易造成粉塵污染，而成型活性炭可以克服粉末活性炭的以上缺點[5]。目前我國以麥飯石處理氧氟沙星廢水的研究鮮有報道，麥飯石是一種古老的礦物藥石，其主要成分為SiO2、Al2O3[6]，其無毒無害，價格低廉，無二次污染，具有較好的溶出與吸附性[7-8]，且對水質pH 值的雙向調節性能較好，若對天然麥飯石進行一定的改造，還能對其重復利用，降低使用成本[9]。

因此本文選用麥飯石為吸附劑，針對氧氟沙星的吸附特性進行研究，討論吸附時長與初始濃度對麥飯石吸附OFL的影響，從而探索麥飯石對處理抗生素廢水的可行性。

1.材料與方法

1.1 藥品與儀器

實驗所需藥品與儀器如表1所示。

表1 藥品與儀器一覽表

1.2 實驗方法

麥飯石研磨過60目篩，超純水沖洗，去除雜質及表面附著物，烘干后取出備用。稱取0.10204g的 OFL于燒杯中，攪拌使其充分溶解后移入1L棕色容量瓶中，超純水定容，得到100mg/L的OFL標準液，保存于冰箱中。采用稀釋標準液的方法得到1mg/L的標準工作液。

時間的影響：稱取0.25g麥飯石于250ml的錐形瓶中，加50ml的OFL標準工作液，搖床中避光震蕩。分別在0.25h、0.5h、1h、2h、4h、8h、12h、18h、24h、36h、48h取出一組錐形瓶進行OFL含量檢測，每組三個平行樣品。初始濃度的影響：將標準液稀釋得到1mg/L、2mg/L、4mg/L、6mg/L的標準工作液，其他實驗條件與上述一致，震蕩時長取平衡吸附時長。

1.3 指標檢測

使用高效液相色譜儀檢測OFL濃度，流動相A為乙腈，流動相B為0.1%甲酸，V相A:V相B=20:80，柱溫35℃，流速1ml/min。實驗結束后，先用純水（過0.22μm濾膜）沖洗泵60min，再用甲醇沖洗30min。

1.4 分析方法

分別用一級動力學模型、二級動力學模型、離子內擴散模型描述麥飯石對OFL的吸附動力學過程；用Langmuir模型和Freundilich模型描述麥飯石吸附OFL的等溫吸附過程。公式分別如下：

式中：k1、k2、kint分別為一級動力學、二級動力學、內擴散模型反應速率常數；qe、qt分別為平衡時刻、t時刻吸附量；c為內擴散速率常數；Ce為平衡時抗生素濃度；KL、KF分別為Langmuir模型和Freundilich模型的吸附系數；Qm為理論最大吸附量；n為常數。

2.結果與討論

2.1 吸附時長的影響

吸附時長對麥飯石吸附OFL吸附量的影響如圖1所示。如圖1所示，前15min是快速吸附階段，此階段麥飯石表面吸附點位較多，吸附容量迅速擴大，吸附量達到平衡吸附量的72.37%；15min后吸附速率逐漸變慢，并在12h達到平衡吸附，平衡吸附量為168.262mg/kg，吸附率達到了84.13%。

圖1 吸附動力學模型模擬麥飯石吸附OFL過程結果

動力學模型對麥飯石吸附OFL的擬合參數如表2所示，由表2可知，一級動力學模型相關系數為0.768，擬合得到的平衡吸附量qe為164.075mg/kg，與實際平衡吸附量稍有出入，模擬效果并不理想，主要因為一級動力學是假設在吸附劑表面的一個吸附位點對應吸附一個吸附質分子。二級動力學模型相關系數達到了0.948，擬合得到的平衡吸附量qe為168.25mg/kg，與實際平衡吸附量幾乎一致，說明二級動力學模型能更好地描述麥飯石吸附OFL的動力學過程。麥飯石對OFL的吸附主要是化學吸附過程，吸附過程較慢，吸附速率受麥飯石表面的化學吸附點位控制。

表2 吸附動力學模型對麥飯石吸附OFL的影響

為更深入地了解麥飯石吸附OFL的動力學過程，用離子內擴散模型對吸附過程進行模擬，結果如圖2所示。由圖2可知，該模型能較好擬合麥飯石對OFL的吸附過程，且擬合曲線不通過原點，表明顆粒間內擴散并不是控制吸附過程的唯一機理。吸附過程分為3個階段，實驗初期的快速上升階段，該階段由于溶液中OFL濃度較高，使得OFL迅速擴散到麥飯石外表面。第二階段由于顆粒間的內擴散使得吸附量上升較為緩慢。第三階段逐漸平衡，因為溶液中較低的OFL濃度導致擴散速率降低。

圖2 離子內擴散模型擬合動力學過程

2.2 初始濃度的影響

麥飯石吸附OFL的等溫吸附過程及模型模擬結果如圖3所示，由圖3可知，吸附量隨初始濃度的增加而呈現逐漸增加的趨勢，表明分配吸附占主導。

圖3 等溫吸附模型擬合曲線

Freundilich模型和Langmair模型對麥飯石吸附OFL的擬合參數如表3所示，由表3可知，Freundilich模型能較好擬合麥飯石的等溫吸附過程，因為Freundlich模型假設麥飯石表面是不理想不均勻的，相關系數達到了0.983，表明麥飯石吸附OFL主要是化學吸附。Langmair模型模擬出麥飯石的飽和吸附容量為336.237mg/kg。常數n代表麥飯石吸附OFL的容易程度，n＞1時表明吸附較易進行，Langmair模型擬合出n=2.622，則麥飯石對OFL的吸附較易進行。

表3 吸附動力學模型對麥飯石吸附OFL的影響

3.結語

本文以麥飯石為吸附劑，對氧氟沙星的吸附特性開展研究，主要針對吸附時長與初始濃度對麥飯石吸附OFL的影響進行討論，探索麥飯石對處理抗生素廢水的性能，主要研究成果如下：

（1）二級動力學模型和離子內擴散模型能較好地描述麥飯石吸附OFL的動力學過程，麥飯石對OFL的吸附主要是化學吸附過程，吸附過程較慢，吸附速率受麥飯石表面的化學吸附點位控制，吸附主要分為三個階段，第一階段溶液中OFL濃度較高，OFL迅速擴散到麥飯石外表面；第二階段顆粒間的內擴散使得吸附量上升緩慢；第三階段逐漸平衡，溶液中較低的OFL濃度導致擴散速率降低。

（2）由等溫吸附模型模擬結果可知，隨初始濃度的增加，吸附量也逐漸增加，說明分配吸附占主導。Freundilich模型能較好擬合麥飯石的等溫吸附過程，Langmair模型擬合n=2.622，n＞1時表明吸附較易進行，由此可知麥飯石對OFL的吸附較易進行。