N/S摻雜石墨烯水凝膠徹底去除低濃度環丙沙星

南京工程學院環境工程學院 江蘇 南京 211167

引言

氧化石墨烯(GO)是非化學計量的sp3和sp2雜化碳網絡的二維晶格[1-2]。環丙沙星是喹諾酮類藥物，是被廣泛使用的抗生素，被動物注射后，難以被動物充分吸收而被徹底降解，因此它會隨著動物的排泄物直接排放到水環境中，對水體環境和人們生活帶來極大的威脅[3-4]。GO表面含有大量的含氧官能團，這些官能團在水中帶負電，對水體中的抗生素大分子有更加優越的吸附效果[5-6]。

本文旨制備一種新型摻雜非金屬N和S還原石墨烯水凝膠，驗證對低濃度CIP的吸附降解情況。

1 材料與方法

1.1 制備N、S摻雜還原石墨烯水凝膠

(1)準確稱取125.00mg氧化石墨粉末，定容于50mL容量瓶，將其移入100ml燒杯中，密封燒杯口。超聲波處理36小時，得2.5mg/mL的氧化石墨烯溶液(簡稱GO)，記為A；

(2)將2.5ml 100mg/ml硫脲溶液和2ml

100mg/ml的亞硫酸氫鈉溶液分別加入50ml的A溶液中，將其移入100ml燒杯中，密封燒杯口。超聲波處理24h，得溶液B。

(3)準確移取B溶液10ml，放入25ml燒杯中，密封燒杯口，超聲波處理5min，放入烘箱中升溫至170℃后，維持12h。

(4)用去離子淋洗9-10次，得N、S摻雜還原石墨烯水凝膠(記SNRGH)。

1.2 環丙沙星溶液標準曲線 為了研究吸附過程中，監測環丙沙星濃度的瞬時變化，需要對環丙沙星進行定量分析。采用紫外可見-全波長掃描儀器，對10mg/L的環丙沙星標準溶液進行全波長掃描，得到CIP最大吸收波長275nm。275nm處，分別測定2mg/L、4mg/L、6mg/L、8mg/L、10mg/L標CIP準溶液，得到工作曲線，選用CIP濃度為縱坐標，對應吸光度為橫坐標，線性擬合，得如下公式c=11.1169*A+0.13819，R2=0.997，c代表環丙沙星濃度，mg/L；A代表吸光度。

1.3 吸附熱力學實驗 選擇SN-RGH作為吸附劑，選擇環丙沙星為吸附質。取5個20mg SN-RGH，分別加入20mL初始濃度為25mg/L、50mg/L、75mg/L、100mg/L、150mg/L的CIP溶液，160rpm，保持24小時，使吸附達到平衡，在475nm處測定吸光度，根據CIP工作曲線，根據下面公式，得溶液中殘留CIP，計算得CIP平衡吸附量。

c0:CIP初始濃度，單位mg/L；

ce吸附平衡時，CIP初始濃度，單位mg/L；

V:CIP溶液的體積，單位mL；

m:SN-RGH質量，單位mg；

qe:平衡時SN-RGH的吸附容量，mg/g。

2 結果與分析

2.1 吸附等溫線分析為

表1 NS-RGH降解不同濃度環丙沙星

由表1可以看出，當CIP濃度小于等于50mg/L時，吸附劑NS-RGH對CIP的吸附選擇性較大，大于23，CIP去除率大于95%。隨著CIP濃度大于100mg/L時，吸附劑NS-RGH對CIP的吸附選擇性較小，處于5和7之間，CIP去除率處于83-87%。我們選擇濃度范圍0-50mg/L

作為研究對象。

吸附等溫線過程可以描述CIP與NS-RGH的相互作用，一些特定的參數可以描述吸附行為。選取了兩個具有代表性的Freundlich和Langmuir模型來擬合等溫線方程。

(1)Langmuir等溫方程分析。朗格繆爾等溫線方程的表達式為:

式中:ce為溶液中染料的平衡濃度(mg/L)，qe為吸附平衡吸附量(mg/g)，KL為朗格繆爾常數反應CIP與NS-RGH的吸附點結合能力；qm為NS-RGH飽和吸附量。

(2)Freundlich等溫方程分析

弗羅因德利希等溫線是基于非均勻表面吸附的純經驗關系，可以用下面公式 表達Freundlich模型的線性形式:

式中，Kf、n為系統的弗倫德利希常數特征，分別表示吸附容量和吸附強度，n反映吸附的非線性程度以及吸附機制的差異。

表2 等溫吸附數據

表2為擬合所采用的分析數據，表3為Langmuir模型和Freundlich模型分別對CIP在吸附劑上吸附行為進行擬合，Langmuir模型和Freundlich模型擬合的R2分別是0.9945和0.9768。結果表明，Langmuir模型描述CIP在NS-RGH的吸附行為更準確，為單分子層吸附，最大吸附容量119mg/g，吸附容量不大，當濃度低于50mg/L時，吸附劑對CIP吸附選擇性達到24左右，CIP除去率達到96.5%以上。

表3 Langmuir模型和Freundlich模型吸附常數

3 結論

通過對N、S摻雜的還原石墨烯氣凝膠的吸附行為分析、對降解過程中抑制因子的分析，得出以下結論:

(1)制備得出的N、S摻雜的還原石墨烯氣凝膠材料吸附去除環丙沙星的去除率達到96.5%的最佳條件為:濃度小于50mg/L，固液比為2:1，吸附時間為24小時。

(2)分別用Langmuir方程和Freundlich方程對吸附等溫線進行擬合和數據分析，結果表明:Langmuir方程擬合相關系數為0.9945，Freundlich方程擬合相關為0.9768，表明Langmuir模型更準確描述吸附劑對環丙沙星的吸附行為整個吸附過程為単分子層吸附。