磁性石墨化生物炭活化过硫酸盐催化降解磺胺甲恶唑的去除性能及机理研究

摘要

近年来，环境中抗生素对人类健康和生态系统的潜在风险致其已成为一类新兴的持久性有机污染物，受到科学界的广泛关注。由于全世界人口增长和食品生产的需求增加，全球抗生素消费量不断增加，被广泛用作人类、牲畜感染性疾病的治疗剂以及畜牧业、水产养殖业的促生长剂。人类和牲畜使用的大量抗生素约70%–80%未完全代谢，通过尿液和粪便进入污水系统；抗生素母体化合物或其代谢产物大多难以降解，经过常规水处理过程后仍进入水生环境中。目前已在全球多个国家的地表水、地下水甚至饮用水中检测到多种抗生素残留，特别是具有顽固性的高优先级药物磺胺甲恶唑(SMZ)，可能威胁非目标生物、污染食物和诱导抗生素抗性细菌及抗生素抗性基因的产生和传播。为高效去除污染水体中的抗生素，保障人类与生态系统和谐共处，迫切需要一些经济可行且有效的治理方法来控制环境抗生素污染。　　在去除环境中有机污染物的各类方法中，以过硫酸盐作为氧化剂、基于产生硫酸根自由基(SO4??)的过硫酸盐高级氧化技术(PS-AOP)因其能够高效降解一些难以生物降解、持久性高、有毒的有机污染物且具有多种活化方式，已被广泛应用于地表水、地下水的原位修复中。基于碳质材料的多相催化方法几乎无污染、具有生物相容性和可恢复性、反应条件温和，具有很好的应用前景。但目前常用碳催化剂的大规模应用受限于其昂贵的前体、复杂的制备工艺。因此，寻找原材料丰富、成本低、制备简便、绿色环保的高效碳催化剂是目前亟需解决的问题。　　本研究以松木生物炭为前体，以高铁酸钾(K2FeO4)同时作为催化剂和活化剂，采用一步合成法制备了一种磁性石墨化生物炭(GMBC)，并将其作为过硫酸盐活化和磺胺甲恶唑(SMZ)降解的多相催化剂。该K2FeO4石墨化改性方法可以同时实现GMBC的多孔结构、高石墨化程度、丰富的富电子官能团和铁物种负载，通过加速电子转移，表现出良好的催化降解效率(在60分钟内几乎达到100%的SMZ降解率)。热解温度对GMBC的结构和催化性能有一定影响，但即使在较低温度热解得到的GMBC仍具有良好的石墨化结构以及催化性能。本研究通过一系列包括淬火实验、电子自旋共振分析和电化学测量在内的系统机理研究，揭示了自由基途径(HO?、SO4?-和O2?-介导的氧化)和非自由基途径(电子穿梭和1O2介导的氧化)均参与了SMZ的催化降解。石墨化碳骨架上形成的空位/缺陷位点、载铁位点和富电子的酮基可能是催化PS的活性位点。在此过程中，GMBC在聚集反应物、激活PS以及介导SMZ向PS的电子传递等方面发挥了多种作用，得益于多种机制，GMBC/PS体系在各种环境条件下都能保持较好的氧化效率。本研究提出了制备石墨化生物炭催化剂用于PS活化的经济绿色无模板策略，并对生物炭在污染水生态修复中的多重作用提供了潜在的见解。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 水体中抗生素污染现状

1.1.1 环境中抗生素污染来源

1.1.2 环境中抗生素潜在危害

1.1.3 抗生素主要处理方法

1.2 过硫酸盐高级氧化技术的研究现状

1.2.1 高级氧化技术

1.2.2 过硫酸盐高级氧化技术

1.2.3 过硫酸盐高级氧化技术的活化方法

1.2.4 碳质材料活化过硫酸盐高级氧化技术的发展

1.3 生物炭

1.3.1 生物炭简介

1.3.2 生物炭改性方法

1.3.3 生物炭在环境修复中的应用

1.4 本研究的背景与内容

1.4.1 选题背景

1.4.2 研究内容

第2章 磁性石墨化生物炭 (GMBC) 材料的制备与表征

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.1.3 磁性石墨化生物炭（GMBC）的合成方法

2.2 材料的表征及分析

2.2.1 表征方法

2.2.2 表征结果

2.3 本章小结

第3 章 GMBC 材料催化过硫酸盐对水体中磺胺甲恶唑的去除性能研究

3.1 实验材料与方法

3.1.1 实验试剂

3.1.2 实验仪器

3.1.3 实验设计

3.1.4 测定分析方法

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 BC 与 GMBC 吸附 SMZ 性能评价

3.2.2 BC 与 GMBC 活化 PS 降解 SMZ 性能评价

3.2.3 不同温度热解下的 GMBC 的性能评价

3.2.4 矿化程度评价

3.3 本章小结

第4 章 GMBC 材料催化过硫酸盐对水体中磺胺甲恶唑的去除机理研究

4.1 实验材料与方法

4.1.1 实验试剂

4.1.2 实验仪器

4.1.3 实验设计

4.1.4 测定分析方法

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 GMBC/PS 体系中淬灭剂对磺胺甲恶唑降解的影响

4.2.2 电子自旋共振分析

4.2.3 非自由基途径

4.3 过硫酸盐活化机理及活性位点

4.4 本章小结

第5 章 反应参数对GMBC 催化过硫酸盐降解水体中磺胺甲恶唑的影响

5.1 实验材料与方法

5.1.1 实验试剂

5.1.2 实验仪器

5.1.3 实验设计

5.1.4 测定分析方法

5.2 实验结果与讨论

5.2.1 催化剂用量影响实验

5.2.2 过硫酸盐浓度影响实验

5.2.3 磺胺甲恶唑浓度影响实验

5.2.4 溶液 pH 影响实验

5.2.5 非目标成分影响实验

5.2.6 材料重复利用性能评价

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表论文情况

致 谢