[发明专利]一种碳纳米管和污泥生物炭复合材料的制备及其在水中低浓度磺胺甲恶唑去除中的应用

说明书

本发明公开了一种一种碳纳米管和污泥生物炭复合材料的制备方法及其在水中低浓度磺胺甲恶唑去除中的应用，属于生物炭制备技术领域。该复合材料的制备方法是将污水处理厂的主要副产物市政污泥烘干后，利用高温管式炉在厌氧条件下热解，然后利用十二烷基磺酸钠和羧酸化的多层碳纳米管对上述污泥生物炭进行加载处理，最后在管式炉中进行二次煅烧处理获得复合材料CNT‑SBC。本发明制备的CNT‑SBC对水中低浓度的磺胺甲恶唑具有较高的去除率，在温度为25℃时其吸附能力可达2.35×10⁵μg/g。本发明以污泥作为原料，既实现了污泥的资源化利用，同时也实现了水中低浓度磺胺甲恶唑的高效去除，且不会向水体中引入新的污染物，是一种对水中抗生素极具潜力且能够大规模应用的去除方法。

技术领域

本发明属于生物炭制备和水处理技术领域，具体是涉及利用碳纳米管和污泥生物炭制备的复合材料作为吸附剂去除水中抗生素的方法。

背景技术

我国已成为世界上最大的抗生素生产和消费国，抗生素年产量2.1×10⁵t，人均抗生素使用量为138g/年，人均消费量是美国的10倍。抗生素被广泛用于治疗人和动物的各种疾病，抗生素进入和动物体内除少部分被完全代谢和吸收外，多数未被代谢的抗生素最终以原生化合物或代谢产物形式，通过粪便和尿液排出体外而进入生态系统中。大量研究表明，抗生素广泛存在于河流、湖泊、海洋和土壤中，且抗生素的浓度范围为ng-μg/L，这些抗生素即使在极低的浓度也会对生态系统、人和动物的健康产生极大的威胁。环境中的抗生素主要包括：磺胺类、氟喹诺酮类、大环内酯类、β-内酰胺类、氯霉素和四环素。磺胺类抗生素具有具有广谱抗菌性，是使用量最大、使用最广泛和在水体中最常被检出的抗生素类抗生素种类之一，其中以磺胺甲恶唑最具代表性。根据2014年在所有联合国五大地区检测到的多种全球销售的药物数据显示，水环境中发现磺胺甲恶唑的国家数量达到47个。研究证实，用含磺胺甲恶唑的废水对玉米进行灌溉能够抑制玉米根系的生长，高浓度甚至会导致其死亡。同时，环境中磺胺甲恶唑的广泛存在，会导致细菌的耐药性增强，产生超级细菌，增强其传播性，使人和动物产生不可治愈的感染。先前的研究多集中于高浓度磺胺甲恶唑的去除研究，而关于更加接近于环境中实际浓度的低浓度磺胺甲恶唑去除却鲜有报道。

由于抗生素极低的浓度使其在环境中难以被检测到，因此尚未被列入相关国家的法律法规而被称为新型污染物，但其存在的潜在风险已经引起世界各国的广泛关注。传统的污水处理厂对抗生素等有机污染物去除的主要原理还是依赖于传统的活性污泥法(二级处理，对这些污染物不能完全去除)。新型的污水处理技术包括：高级氧化或先进的膜技术、生物降解和吸附技术等。高级氧化技术操作复杂、运行成本高，且降解产生的副产物可能会对生态环境产生更加严重的二次污染，导致实际运用中不可操作。生物处理技术存在对环境条件要求严格，降解效率低和耗时长等缺点。与高级氧化技术和生物处理技术相比，吸附具有操作简单、经济和高效等优点，能够广泛用于实际环境中抗生素的处理。

污泥是污水处理厂污水处理后的主要副产物，其巨大的产量问题给环境带来了极大的潜在威胁，如何实现污泥资源化利用成为当前亟待解决的一个迫切问题。研究发现，由于污泥有机质的含量高，产炭率高，能够经热解制成生物吸附材料(如污泥基生物炭)，使其成为一个潜在的污染物可持续去除新手段。研究证实，污泥制备的生物炭具有一定的表面积和孔隙结构，使其对环境中的污染物具有一定的吸附能力，但受限于其相对较小的表面积和较差的孔隙结构，使其对抗生素等大分子有机物的吸附能力相对较差。碳纳米管的主要成分是碳，具有极佳的表面积和孔隙结构，生物炭表面加载碳纳米管可显著改善其物理特征，增强其吸附能力，且不会向水体中引入新的污染物或破坏水环境的稳定性。目前，关于污泥生物炭加载碳纳米管吸附去除水中低浓度磺胺甲恶唑的研究尚未报道。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种对水体中低浓度抗生素处理效果好的一种碳纳米管和污泥生物炭复合材料，既能够实现污泥的资源化利用，又能够实现水中低浓度抗生素高效去除的方法。