麥飯石對氧氟沙星廢水的吸附特性研究

王德威 王金鋒

（1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林 541000；2.商丘師范學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南商丘 476100）

0.引言

抗生素作為較為常見的消炎藥物，被廣泛用于醫(yī)藥生產(chǎn)和獸禽養(yǎng)殖行業(yè)[1]。由于抗生素在動物體內(nèi)的利用效率低，大量抗生素因未被利用而隨尿液和糞便排放至環(huán)境中，抗生素廢水污染問題已經(jīng)成為世界性難題，推廣有效的抗生素廢水處理技術(shù)對改善全球化的抗生素水污染問題具有重要意義。氧氟沙星（OFL）是一類常見廣譜抗生素，其種類多、使用量大且難以被生物代謝，屬于難降解污染物，較為頻繁地在污水處理廠中被檢出[2]。

吸附法是較為常見的廢水深度處理技術(shù)，吸附法因吸附材料處理效率高、工藝簡單和操作便捷等優(yōu)點一直被廣泛應(yīng)用[3]。目前最為常見的吸附劑為活性炭（AC），由于內(nèi)部形狀的不規(guī)則性，其對廢水中有機污染物的吸附能力較強[4]，但是粉末活性炭原料成本高，堆密度低，不易儲存，運輸和回收過程中易造成粉塵污染，而成型活性炭可以克服粉末活性炭的以上缺點[5]。目前我國以麥飯石處理氧氟沙星廢水的研究鮮有報道，麥飯石是一種古老的礦物藥石，其主要成分為SiO2、Al2O3[6]，其無毒無害，價格低廉，無二次污染，具有較好的溶出與吸附性[7-8]，且對水質(zhì)pH 值的雙向調(diào)節(jié)性能較好，若對天然麥飯石進行一定的改造，還能對其重復(fù)利用，降低使用成本[9]。

因此本文選用麥飯石為吸附劑，針對氧氟沙星的吸附特性進行研究，討論吸附時長與初始濃度對麥飯石吸附OFL的影響，從而探索麥飯石對處理抗生素廢水的可行性。

1.材料與方法

1.1 藥品與儀器

實驗所需藥品與儀器如表1所示。

表1 藥品與儀器一覽表

1.2 實驗方法

麥飯石研磨過60目篩，超純水沖洗，去除雜質(zhì)及表面附著物，烘干后取出備用。稱取0.10204g的 OFL于燒杯中，攪拌使其充分溶解后移入1L棕色容量瓶中，超純水定容，得到100mg/L的OFL標(biāo)準(zhǔn)液，保存于冰箱中。采用稀釋標(biāo)準(zhǔn)液的方法得到1mg/L的標(biāo)準(zhǔn)工作液。

時間的影響：稱取0.25g麥飯石于250ml的錐形瓶中，加50ml的OFL標(biāo)準(zhǔn)工作液，搖床中避光震蕩。分別在0.25h、0.5h、1h、2h、4h、8h、12h、18h、24h、36h、48h取出一組錐形瓶進行OFL含量檢測，每組三個平行樣品。初始濃度的影響：將標(biāo)準(zhǔn)液稀釋得到1mg/L、2mg/L、4mg/L、6mg/L的標(biāo)準(zhǔn)工作液，其他實驗條件與上述一致，震蕩時長取平衡吸附時長。

1.3 指標(biāo)檢測

使用高效液相色譜儀檢測OFL濃度，流動相A為乙腈，流動相B為0.1%甲酸，V相A:V相B=20:80，柱溫35℃，流速1ml/min。實驗結(jié)束后，先用純水（過0.22μm濾膜）沖洗泵60min，再用甲醇沖洗30min。

1.4 分析方法

分別用一級動力學(xué)模型、二級動力學(xué)模型、離子內(nèi)擴散模型描述麥飯石對OFL的吸附動力學(xué)過程；用Langmuir模型和Freundilich模型描述麥飯石吸附OFL的等溫吸附過程。公式分別如下：

式中：k1、k2、kint分別為一級動力學(xué)、二級動力學(xué)、內(nèi)擴散模型反應(yīng)速率常數(shù)；qe、qt分別為平衡時刻、t時刻吸附量；c為內(nèi)擴散速率常數(shù)；Ce為平衡時抗生素濃度；KL、KF分別為Langmuir模型和Freundilich模型的吸附系數(shù)；Qm為理論最大吸附量；n為常數(shù)。

2.結(jié)果與討論

2.1 吸附時長的影響

吸附時長對麥飯石吸附OFL吸附量的影響如圖1所示。如圖1所示，前15min是快速吸附階段，此階段麥飯石表面吸附點位較多，吸附容量迅速擴大，吸附量達到平衡吸附量的72.37%；15min后吸附速率逐漸變慢，并在12h達到平衡吸附，平衡吸附量為168.262mg/kg，吸附率達到了84.13%。

圖1 吸附動力學(xué)模型模擬麥飯石吸附OFL過程結(jié)果

動力學(xué)模型對麥飯石吸附OFL的擬合參數(shù)如表2所示，由表2可知，一級動力學(xué)模型相關(guān)系數(shù)為0.768，擬合得到的平衡吸附量qe為164.075mg/kg，與實際平衡吸附量稍有出入，模擬效果并不理想，主要因為一級動力學(xué)是假設(shè)在吸附劑表面的一個吸附位點對應(yīng)吸附一個吸附質(zhì)分子。二級動力學(xué)模型相關(guān)系數(shù)達到了0.948，擬合得到的平衡吸附量qe為168.25mg/kg，與實際平衡吸附量幾乎一致，說明二級動力學(xué)模型能更好地描述麥飯石吸附OFL的動力學(xué)過程。麥飯石對OFL的吸附主要是化學(xué)吸附過程，吸附過程較慢，吸附速率受麥飯石表面的化學(xué)吸附點位控制。

表2 吸附動力學(xué)模型對麥飯石吸附OFL的影響

為更深入地了解麥飯石吸附OFL的動力學(xué)過程，用離子內(nèi)擴散模型對吸附過程進行模擬，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，該模型能較好擬合麥飯石對OFL的吸附過程，且擬合曲線不通過原點，表明顆粒間內(nèi)擴散并不是控制吸附過程的唯一機理。吸附過程分為3個階段，實驗初期的快速上升階段，該階段由于溶液中OFL濃度較高，使得OFL迅速擴散到麥飯石外表面。第二階段由于顆粒間的內(nèi)擴散使得吸附量上升較為緩慢。第三階段逐漸平衡，因為溶液中較低的OFL濃度導(dǎo)致擴散速率降低。

圖2 離子內(nèi)擴散模型擬合動力學(xué)過程

2.2 初始濃度的影響

麥飯石吸附OFL的等溫吸附過程及模型模擬結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，吸附量隨初始濃度的增加而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，表明分配吸附占主導(dǎo)。

圖3 等溫吸附模型擬合曲線

Freundilich模型和Langmair模型對麥飯石吸附OFL的擬合參數(shù)如表3所示，由表3可知，F(xiàn)reundilich模型能較好擬合麥飯石的等溫吸附過程，因為Freundlich模型假設(shè)麥飯石表面是不理想不均勻的，相關(guān)系數(shù)達到了0.983，表明麥飯石吸附OFL主要是化學(xué)吸附。Langmair模型模擬出麥飯石的飽和吸附容量為336.237mg/kg。常數(shù)n代表麥飯石吸附OFL的容易程度，n＞1時表明吸附較易進行，Langmair模型擬合出n=2.622，則麥飯石對OFL的吸附較易進行。

表3 吸附動力學(xué)模型對麥飯石吸附OFL的影響

3.結(jié)語

本文以麥飯石為吸附劑，對氧氟沙星的吸附特性開展研究，主要針對吸附時長與初始濃度對麥飯石吸附OFL的影響進行討論，探索麥飯石對處理抗生素廢水的性能，主要研究成果如下：

（1）二級動力學(xué)模型和離子內(nèi)擴散模型能較好地描述麥飯石吸附OFL的動力學(xué)過程，麥飯石對OFL的吸附主要是化學(xué)吸附過程，吸附過程較慢，吸附速率受麥飯石表面的化學(xué)吸附點位控制，吸附主要分為三個階段，第一階段溶液中OFL濃度較高，OFL迅速擴散到麥飯石外表面；第二階段顆粒間的內(nèi)擴散使得吸附量上升緩慢；第三階段逐漸平衡，溶液中較低的OFL濃度導(dǎo)致擴散速率降低。

（2）由等溫吸附模型模擬結(jié)果可知，隨初始濃度的增加，吸附量也逐漸增加，說明分配吸附占主導(dǎo)。Freundilich模型能較好擬合麥飯石的等溫吸附過程，Langmair模型擬合n=2.622，n＞1時表明吸附較易進行，由此可知麥飯石對OFL的吸附較易進行。