改性石墨烯-生物炭复合材料对磺胺类抗生素的吸附

张 江，孙宁宁，张景环，乔永亮，白月阳，丁雅楠，马文静，伍奕轩，谢 丹

(青岛科技大学 环境与安全工程学院，山东 青岛 266042)

磺胺类抗生素在水体中频繁检出[1]。生物炭具有较大的比表面积和丰富的含氧功能团，是一种去除抗生素的高效且廉价的吸附剂[2-3]。由于单一生物炭对抗生素的去除效果有限，越来越多的学者将生物炭与其他材料复合，合成具有新性能、新结构的材料，提高吸附材料的性能[4-5]。因此，本文研究海藻酸钠和磁性改性石墨烯-生物炭复合材料对磺胺的吸附，对水中抗生素的去除，具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 药品

磺胺嘧啶纯度为99.9%，购自中国药品生物制品检定所，分子量为250.3 g/mol，LogKow为-0.09。

1.2 石墨烯-生物炭复合材料的制备

称取5.0 g栗子壳粉末，加入100 mL石墨烯悬浮液中搅拌1 h，混合物在80 ℃干燥3 h，放入马弗炉中，400 ℃缺氧热解1 h。冷却研磨过筛后保存。

1.3 海藻酸钠-石墨烯-生物炭复合材料的制备

将1.5 g海藻酸钠溶于50 mL水中得到海藻酸钠水溶液，加入2.0 g石墨烯-生物炭复合材料，超声1 h，用注射器将上述混合溶液滴入5 %氯化钙溶液中，固化为凝胶球，去掉氯化钙溶液，干燥24 h，得到海藻酸钠-石墨烯-生物炭复合材料。

1.4 磁性-石墨烯-生物炭复合材料的制备

将1.0 g石墨烯-生物炭复合材料溶于1 L去离子水中，超声2 h，得到石墨烯-生物炭悬浮液。将5.0 g FeCl3·6H2O溶于100 mL去离子水中，得到氯化铁溶液。将石墨烯-生物炭悬浮液与氯化铁溶液混合，调节溶液pH值=10，磁力搅拌24 h。溶液加热浓缩致粘稠状态，将干燥后的固体物在400℃下灼烧 1 h，得到磁性-石墨烯-生物炭复合材料。

1.5 吸附实验

称取40 mg复合材料放入50 mL离心管，加入40 mL 20 mg·L-1的磺胺嘧啶溶液。用0.01 mol·L-1NaOH和HCl调节溶液pH值=6，25℃避光振荡，在吸附剂刚刚接触抗生素溶液开始计时，随着吸附的进行，在一定的时间取样，离心分离，采用高效液相色谱法测定上清液中磺胺嘧啶的浓度，直至残留浓度不再变化或出现波动即表示吸附基本达到平衡。在pH值对吸附的影响实验中，用0.01 mol·L-1NaOH和HCl调节溶液pH值在3～9之间。

2 结果与讨论

2.1 吸附动力学

图1表明，石墨烯-生物炭复合材料对磺胺嘧啶的吸附量随着吸附时间的增加而增加，在48 h后吸附量的变化不大，基本达到平衡。因此吸附平衡时间是48 h。

图1 吸附动力学

2.2 pH值对吸附的影响

图2表明，当pH值<6.0时，磺胺嘧啶的吸附量随着pH值的增加而增加。在pH值=6.0时，石墨烯-生物炭、磁性-石墨烯-生物炭和海藻酸钠-石墨烯-生物炭复合材料对磺胺嘧啶的吸附量最高，分别为5.19,22.0和29.4 mg/kg. 海藻酸钠和磁性改性远远增强了对磺胺嘧啶的吸附能力。并且海藻酸钠-石墨烯-生物炭复合材的吸附能力大于磁性-石墨烯-生物炭复合材料。这主要是由于海藻酸钠改性增加了石墨烯-生物炭复合材料的孔隙结构。

图2 pH值对吸附的影响

3 结论

(1) 吸附动力学实验表明，吸附平衡时间为48 h。

(2) 海藻酸钠和磁性改性增加了对磺胺嘧啶的吸附能力。

(3) pH值=6.0时，磺胺嘧啶的吸附量最高。

参考文献

[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,林朋飞,等.水中典型磺胺类抗生素的活性炭吸附性能探究[J]. 给水排水,2016,42(1):36-41.

[4]吕宏虹,宫艳艳,唐景春,等.生物炭及其复合材料的制备与应用研究进展[J]. 农业环境科学学报,2015,34(8):1429-1440.

[5]李玉姣.生物炭及复合材料的制备及应用性能研究[D].长春:吉林大学博士学位论文,2015.