超声非均相氧化体系对四环素的降解

2020-04-22冯逸张贞勇魏雯静陈艳豪王琴西北民族大学化工学院甘肃兰州730030

化工管理 2020年9期

冯逸张贞勇魏雯静陈艳豪王琴（西北民族大学化工学院，甘肃兰州 730030）

抗生素在医疗卫生、养殖业等领域被广泛应用[1]，致使水体污染中占有很大比例，其中以四环素类抗生素最为典型，四环素（tetracycline）是四环素族抗生素中最基本的化合物。进入环境中的四环素会对微生物、土壤酶的代谢、土壤的呼吸、植物的生长以及动物和人体造成一定的危害[2]。故，降解水体中抗生素具有一定的研究意义。鉴于以沸石负载纳米Fe3O4作为催化剂对四环素类抗生素的催化降解研究较少，为此，本研究采用超声波作为辅助条件，沸石负载纳米Fe3O4为催化剂探讨了沸石负载纳米Fe3O4用量、超声波功率、溶液的PH 等影响因子对模拟水体中四环素进行催化降解，为水体污染处理中四环素类抗生素的清除提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料：

人造沸石（Na2O·Al2Ox·xSiO2·yH2O），

七水合硫酸亚铁(Fe2SO4·7H2O)，

阿拉丁盐酸四环素，

0.22mm微孔滤芯，

试剂均为分析纯，实验用水均为蒸馏水。

1.2 实验仪器：

UV2550紫外分光光度计（日本Shimadzu公司），

AL104分析天平，

雷磁PHS-3C精密PH计，

2XZ旋片式真空泵，

KQ5200型台式机械超声波清洗器。

1.3 实验方法

在真空条件下，制备2:5的沸石负载纳米Fe3O4粉末待用。

以纯水为参比，配制C=0.3g/L 的tetracycline 水溶液，在200-760nm 波长条件下测其最大吸收波长为280nm，后续实验均采用该波长测定溶液的吸光度，以浓度梯度为0.05g/L作相对应的标准曲线。根据公式D%=（C0-Ct）/C0×100%计算降解率。

配制浓度为0.24g/L 的模拟tetracycline 污染水溶液作为储备液待用，倒入一定量的tetracycline 储备液于250mL 的塑料烧杯中，根据不同实验条件，加入一定量沸石负载纳米Fe3O4，搅拌，待其在溶液中混合均匀后放置在超声波清洗槽内，调节到室温。加入适量H2O2溶液或过硫酸盐，采用H2SO4与NaOH 调节PH，开启超声波进行催化降解。每间隔10min 取一次样（5mL），将样品用孔径为0.22µm 的滤芯过滤，测定滤液吸光度用以计算降解率。

图1.溶液PH对tetracycline降解的影响Figure 1.Effect of solution Ph on degradation of tetracycline

2 结果与讨论

2.1 溶液PH对tetracycline降解的影响

在沸石负载纳米Fe3O4用量4.5g/L，tetracycline 初始浓度0.24g/L，H2O2初始浓度60mmol/L或Na2S2O8初始浓度80mmol/L，超声波（100W）辅助催化1h的条件下，PH 对模拟tetracycline 污染的水溶液降解影响，实验结果见图1。从图中可以看出，在酸性条件下的降解效果强于碱性条件下的降解，当PH 为6.8 时，超声辅助降解效果达到最好。超声辅助催化降解反应会产生羟基自由基或硫酸根自由基作为主要活性物质，而PH 会影响羟基自由基和硫酸根自由基的生产，从而影响整个催化降解反应。

2.2 超声功率对tetracycline降解的影响

在PH为6.8，沸石负载纳米Fe3O4用量4.5g/L，tetracycline初始浓度0.24g/L，H2O2初始浓度60mmol/L 或Na2S2O8初始浓度80mmol/L，超声波功率分别为20、40、60、80、100W 条件下进行辅助催化降解反应，实验结果见图2。从图中可以看出，在超声波辅助条件下，催化降解的效果有明显的增强，降解随功率的提高而增强，提高超声功率可以增加热能，从而提供更多的羟基自由基或硫酸根自由基；同时保持沸石负载纳米Fe3O4表面不被中间产物所占用，可以提供更多的活性位点[3-4]。当超声功率达100W时降解效果最佳。

2.3 沸石负载纳米Fe3O4用量对tetracycline降解的影响

在tetracycline 初始浓度0.24g/L，PH 为6.8，超声波功率为100W，H2O2初始浓度60mmol/L、，沸石负载纳米Fe3O4用量分别为1.5、3.0、4.5、6、7.5g/L 的条件下催化降解，实验结果见图3。当催化剂用量为4.5g/L时，催化降解效果最佳，投加量超过4.5g/L，催化效果没有明显的提高，因为催化剂用量达到一定用量后，产生羟基自由基或硫酸根自由基的量主要由过氧化氢或过硫酸盐的量和超声空化泡的量决定[5]。当用Na2S2O8初始浓度80mmol/L 作为氧化物时，提高沸石负载纳米Fe3O4的用量只是为反应提供更多的活性位点，促使其降解速率的增加，但最终所产生的活性物质的数量是一定的[6]。

3结语

以沸石负载纳米Fe3O4作为催化剂，用超声波辅助催化降解反应，从而表现出其具有无污染、高效、快速等良好的催化降解性能。对影响催化降解反应的因素进行优化，最终确定在以初始浓度为60mmol/L 的H2O2或80mmol/L 的Na2S2O8为氧化物，沸石负载纳米Fe3O4用量4.5g/L，四环素初始浓度0.24g/L，溶液PH为6.8，超声波辅助功率为100W条件下进行催化降解1h，tetracycline四环素降解率达到93%以上。