共价有机凝胶材料HCOGs对喹诺酮类抗生素的吸附研究

作     者：徐非凡 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董军;屈智慧

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：共价有机凝胶 HCOGs 喹诺酮类抗生素 吸附 机理 

摘      要：随着抗生素被大量使用,部分抗生素不可避免地流入环境,由此引发的环境污染问题对人体健康和生态安全构成了严重威胁。吸附法由于具有工艺简单、成本低、能耗低、去除效率高、无有毒中间体产生等优点,从而备受青睐,因此,寻找绿色、高效、廉价的吸附剂成为学者们研究的重点。近年来发现共价有机聚合物在环境领域应用的优秀潜力,作为共价有机聚合物的一类,共价有机凝胶具有合成简便、产率高等特点。本文设计制备了一组共价有机凝胶材料HOGs作为吸附剂,围绕其对两种典型的喹诺酮类抗生素环丙沙星和诺氟沙星的吸附性能及机理展开研究。本文从环丙沙星和诺氟沙星的性质及结构特征出发,设计一组具有阴离子骨架、内含大π键,且具有疏水性和氢键位点的多孔共价有机凝胶材料HOGs。以苯-1,3,5-三甲酰肼、对苯二甲醛、4,4’-联苯二甲醛、1,4-二(4-醛基苯基)苯为原料,通过Schiff base(席夫碱)缩合反应合成三种共价有机凝胶材料HOG-1、HOG-2、HOG-3。利用X射线衍射(XRD)、固体核磁(C CP/MAS NMR)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析(BET)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)、Zeta电位、流变测试等分析手段对HOGs材料的物理结构和化学性质进行表征。表征结果显示:HOGs材料被成功合成,且均具有良好的热稳定性;三种材料均为非晶态无定型结构;测得HOG-1、HOG-2、HOG-3的比表面积分别为150、50、4 m/g,且均具有从微孔到大孔的较广的孔径分布。分别研究了HOG-1、HOG-2、HOG-3对环丙沙星和诺氟沙星的吸附性能及其影响因素,结果显示:三种材料均能对环丙沙星和诺氟沙星实现快速吸附,30min即可达到平衡。随着溶液初始pH值的增大,HOGs对抗生素的吸附量逐渐增大,当pH超过8.0时,吸附量几乎不再增加。溶液中金属阳离子会与抗生素发生竞争吸附,使吸附量减小,但随着金属阳离子浓度增大,吸附量减小的速度趋于平缓。吸附过程符合准二级动力学,吸附速率与HOGs的用量以及抗生素的浓度呈线性关系。根据韦伯-莫里斯内扩散模型,吸附过程分为外部扩散和内部扩散,且外部扩散的速率大于内部扩散。吸附过程符合Langmuir等温吸附模型,抗生素在HOGs表面单层均匀吸附,该吸附为化学过程。在温度为298K时,HOG-1、HOG-2、HOG-3对环丙沙星的饱和吸附量分别为46.55、19.25、10.18 mg/g,对诺氟沙星的饱和吸附量分别为71.02、20.13、11.20 mg/g。HOGs对喹诺酮类抗生素的吸附机理包括静电相互作用、疏水相互作用、π-π堆积效应、氢键作用、以及HOGs较大的比表面积和多孔性质所产生的孔隙填充效应。上述五种作用机理并存并在吸附过程中共同发挥作用。本文设计制备的HOGs系列材料对喹诺酮类抗生素表现出快速、稳定的吸附效果,且其具有良好的可再生性,再生后的材料结构与原始材料结构相比无明显变化。这项工作对将共价有机聚合物材料应用于废水中抗生素的吸附具有一定的指导意义。