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药物和个人护理品(PPCPs)通过各种途径进入地表水、地下水、甚至饮用水,目前PPCPs对环境的危害已经引起广泛关注。传统的污水处理方法不能有效地去除PPCPs,虽然其他处理技术,如活性炭吸附、臭氧氧化和膜过滤等能够提高这些物质的处理效率,但是这些技术因需要更多的资金投入以及设计和运行的复杂性而未能普及。因此,寻求一种处理成本低、操作简便、PPCPs去除效果好的处理方法具有重要意义。
本文选用土壤无机矿物一蒙脱石KSF,高岭石和二氧化锰作为吸附剂和氧化剂,以典型PPCPs类药物--磺胺嘧啶和卡巴西平为目标物,研究了磺胺嘧啶和卡巴西平的去除效率和机理,探讨了影响其吸附和氧化行为的主要环境因素,以期为水中PPCPs的吸附和氧化降解技术提供基础数据和理论支持,更好地控制PPCPs的污染。主要研究内容和结论归纳如下:
(1)通过批量平衡实验研究了磺胺嘧啶在蒙脱石KSF与高岭石表面的吸附,考察了不同环境因素包括平衡时间、pH、温度、离子强度以及共存的表面活性剂对吸附过程的影响。结果表明,磺胺嘧啶在24 h内均达到吸附平衡,且吸附行为可以用准二级动力学模型预测。pH对吸附影响显著,酸性pH条件下有利于吸附。低离子强度促进磺胺嘧啶的吸附。不同温度下蒙脱石KSF对磺胺嘧啶的吸附符合线性吸附模型,Dubinin-Radushkevich(DR)模型拟合表明,蒙脱石KSF的吸附机理是物理吸附及弱离子交换作用,热力学研究表明该吸附是吸热且不自发反应,加入阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)抑制蒙脱石对磺胺嘧啶的吸附,而加入阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)不影响吸附。不同温度下高岭石对磺胺嘧啶的吸附符合Freundlich模型,由DR模型可知,吸附机理为阳离子交换和弱的物理吸附,热力学研究表明该吸附是自发、吸热反应,加入阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂均抑制高岭石对磺胺嘧啶的吸附作用。
(2)通过批量平衡实验研究了卡巴西平在蒙脱石KSF表面的吸附行为,30h内达到吸附平衡,并可以用准二级动力学模型预测。吸附过程受pH影响显著,最佳pH为4.2。共存阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂抑制卡巴西平的吸附。不同温度下蒙脱石KSF对卡巴西平的吸附符合Langmuir模型,说明卡巴西平的吸附是单层吸附,热力学研究表明该吸附是一个物理吸附且吸热过程。
(3)通过氧化降解实验研究了二氧化锰对卡巴西平的氧化转化情况,并讨论了不同环境因素,包括初始二氧化锰浓度、pH、共存金属离子和腐殖酸对转化过程的影响。其反应动力学表明,卡巴西平在最初5min内快速降解,60min内达到了95%的去除率。卡巴西平的氧化降解速率随着二氧化锰浓度的增加而增大,随pH值的增大而减小。反应溶液中共存无机离子Mn2+、Ca2+、Mg2+、Fe3+和腐殖酸对卡巴西平的氧化降解反应均有一定的抑制作用。
本研究为PPCPs的去除提供了可靠的理论依据和技术参考,具有一定的指导意义和实用价值。