改性荷叶对水溶液中环丙沙星的动态吸附研究

赵 哲，张向阳，任珊珊，李清亮

(郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001)

随着社会的发展，工业、农业和人类生活等领域产生了越来越多的含有抗生素的废水。排放在环境中的抗生素很难被大自然降解，它能通过食物链的富集作用进入到人体，严重危害人体健康，所以这些废水必须得到合适地处理。

吸附法是一种高效废水处理方法。目前，采用生物质吸附剂是研究的热点之一，在以往的研究中，指甲花叶[1]、柚子皮[2]、板栗壳[3]、花生壳[4]、稻壳[5]等生物质材料被作为吸附剂处理抗生素废水，而采用农业废弃物荷叶处理抗生素废水的研究却未见报道。

本文采用氢氧化钠改性荷叶为吸附材料，研究其对水中环丙沙星的动态吸附性能，为综合利用农业废弃物荷叶开辟新的应用途径，充实了废水中环丙沙星动态吸附的理论。

1 实验部分

1.1 吸附剂材料的制备

首先将荷叶粉碎、过筛，取粒径0.45～0.9 mm的荷叶置于质量分数为10 %的氢氧化钠溶液中浸泡120min，得到改性荷叶，过滤，用蒸馏水反复清洗改性荷叶至中性，然后将其置于60 ℃的恒温干燥箱中烘360min，取出，于试剂瓶中保存备用。

1.2 改性荷叶对环丙沙星的动态吸附实验

分别称取一定量的改性荷叶装入玻璃吸附柱中，先用蒸馏水冲洗浸泡10min后，在室温下，一定浓度C0的CPX溶液通过蠕动泵以固定的流速流过吸附柱，定时取样，用紫外分光光度计测定滤液的浓度Ct，直至出口浓度不再变化为止，并绘制不同因素影响下Ct/C0随着时间t(min)变化的穿透曲线。

1.3 数据分析

对于给定的吸附柱，在已知流速和流入浓度下，吸附剂总的吸附量qtotal通过式(1)计算：

改性荷叶的单位吸附量qcal可以用方程(2)来计算：

其中，C0(mg/L)是CPX溶液的初始浓度；Ct(mg/L)是t时刻流出溶液的浓度；ttotal(min)为达到饱和的时间；m(g)为柱内改性荷叶的质量；Q(min/L)为溶液的体积流速。

2 结果与讨论

2.1 改性荷叶床层高度的影响

在吸附柱入口CPX的质量浓度为100 mg/L，溶液流量为4 mL/min的条件下，研究不同改性荷叶床层高度对穿透曲线的影响，结果见图1和表1。随着床层高度的增加，吸附量增大，穿透时间也增加。这是因为随着改性荷叶床层高度的增加，柱子中改性荷叶的质量增大，溶液中的CPX分子与改性荷叶接触的时间会增大，导致了CPX的去除率增加。

图1 不同柱高下实验穿透曲线与Thomas拟合曲线的比较

2.2 溶液初始浓度影响

选取CPX溶液流速为4 mL/min，床层高度为9.3 cm，研究不同CPX溶液初始浓度对穿透曲线的影响。结果如图2和表1。CPX溶液初始浓度越高，改性荷叶对CPX的吸附机率就随之增加，它表面的吸附点位的利用率也随之增大。因此，CPX溶液的初始浓度越大，改性荷叶对CPX的吸附量就会越大，吸附达到饱和的时间越短，穿透曲线的斜率就越大。

图2 不同浓度下实验穿透曲线与Thomas模型拟合曲线的比较

2.3 溶液流速的影响

选取CPX的初始浓度为100 mg/L，改性荷叶床层高度为9.3 cm，研究不同流速对穿透曲线的影响，穿透曲线如图3所示。当CPX溶液流速减少时，穿透曲线的斜率减小，吸附柱的穿透时间明显增加，这是因为在低流速下，CPX溶液穿过吸附柱的时间增长，这样CPX分子与改性荷叶有了更多的接触时间，使得溶液中CPX的去除率提高，穿透时间延长[6]。

图3 不同流速下实验穿透曲线与Thomas模型拟合曲线的比较

2.4 Thomas模型的应用

用Thomas模型[7]对改性荷叶吸附环丙沙星的柱吸附数据进行非线性拟合，结果见图1～3和表1。Thomas吸附动力学模型如下：

式中，kTh(mL/(min·mg))是Thomas速率常数；q0(mg/g)是平衡时改性荷叶的单位吸附量；m (g)是柱中改性荷叶的质量；v (mL/min)是溶液的流速。

表1 不同操作条件下改性荷叶的吸附量及Thomas模型参数

从表1可以看出，相关系数均在0.99以上，表明Thomas模型能较好地描述CPX的动态吸附过程。随着床层高度的增加，改性荷叶的饱和吸附量出现明显的增大，速率常数kTh明显减小。这是因为床层的增高使得CPX与改性荷叶接触时间增长，同时吸附剂提供的活性点位增多。当溶液的流速增大时，平衡吸附量明显减小，此时kTh会增大，这是因为在高流速下，溶液穿过柱子的时间很短，CPX在柱子里面没有足够的停留时间，不能有效的扩散到改性荷叶内。当流入溶液的浓度增加时，高浓度对传质速率的增加有利，所以平衡吸附量随之增加，kTh的值也增加。

3 结论

改性荷叶能通过动态吸附装置有效地吸附水体中环丙沙星；动态吸附实验结果表明。随着吸附剂填充量的增加，穿透吸附量和穿透时间增加，穿透曲线更加平缓。随着溶液初始浓度的增大及溶液流量的增加，穿透时间减少，穿透曲线前移。采用Thomas模型对实验数据进行线性拟合，得到模型的相关系数均在0.99以上，说明改性荷叶对环丙沙星的动态吸附行为符合Thomas模型。

参考文献

[1]李瑞玲,张爱江,宋 标.改性指甲花叶对Cr(Ⅵ)的吸附研究[J].化工新型材料,2017(6):242-243.

[2]符艳真.改性柚皮对水体中氟喹诺酮类抗生素的吸附研究[D].郑州:郑州大学,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]刘 希,张宇峰,罗 平.改性花生壳对四环素类抗生素的吸附特性研究[J].环境污染与防治,2013,35(5):35-39.

[5]纪营雪,王风贺,张 帆,等.稻壳灰对抗生素磺胺的吸附特性研究[J].环境科学,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.