摘要
大量磺胺类抗生素以原药或代谢产物形式随排泄物进入水体，对生态环境及人体健康造成了严重危害。为有效去除水中的磺胺类抗生素，基于碳纳米管（CNTs）的吸附和类芬顿（Fenton）氧化技术已得到了广泛的研究。但这些研究存在两处不足：一是往往只针对一种或两种磺胺类抗生素，对磺胺类污染物的吸附/降解规律尚未进行系统性地研究；二是用金属改性CNTs虽可提高其性能，但CNTs和金属之间的结合较弱，导致其性能有待进一步提高。针对以上问题，本课题以CNTs作为基体材料，通过高能球磨法和高温融熔-高能球磨法分别制备了强相互作用的CNTs-Fe3O4和Al0-CNTs-Fe3O4复合材料，构建了两种类Fenton体系：CNTs-Fe3O4催化H2O2类Fenton体系（CNTs-Fe3O4/H2O2）和Al0-CNTs-Fe3O4活化O2原位产H2O2的类Fenton体系（Al0-CNTs-Fe3O4/O2体系），探讨了其对六种磺胺类抗生素的吸附/降解行为和机理。主要结论如下： （1）六种磺胺抗生素在CNTs和CNTs-Fe3O4上的吸附过程均可用伪二级动力学和Langmuir方程描述，在最佳条件下对磺胺甲氧嘧啶（SMD）的最大吸附容量分别可达132.281mg g-1和101.370mg g-1，其吸附平衡容量、最大吸附容量、吸附速率常数与磺胺抗生素分子的最高占据分子轨道能量和偶极矩参数之间有很高的相关性。关于CNTs，这些相关性可以表达为：y=0.204–0.008/(1+e(x-129.955)/1.268)、y=0.204–0.008/(1+e(x–1.71)/0.036)、y=0.173×e(x/0.917)+6.24和y=28.781–21.812/(1+e(x–204.832)/17.209)；关于CNTs-Fe3O4：y=-0.194–0.010/(1+e(x-0.110)/0.008)、y=-0.195–0.009/(1+e(x–91.344)/1.488)、y=1.691×e(x/0.011)和y=11.169+4.148/(1+e(x–95.928)/2.199)。 （2）球磨条件对CNTs-Fe3O4的催化活性影响极大，在CNTs与Fe3O4质量比为1∶1、球磨时间90min、转速420rpm、球料质量比1∶100条件下制备的CNTs-Fe3O4具有较高的催化活性：CNTs-Fe3O4投加量为1g L-1，pH为3时，对40mg L-1的磺胺甲基嘧啶（SMR）在15min可达100%的去除率，与物理混合的CNTs/Fe3O4相比，CNTs-Fe3O4的降解催化活性提高了80.45%。六种磺胺类抗生素在CNTs-Fe3O4/H2O2类Fenton氧化体系的降解速率与其分子结构有关，多数抗生素其降解速率常数与其分子的Mulliken电荷之间的关系可以定量为：y=-28.719x+15.670。 （3）在Al0-CNTs-Fe3O4/O2类Fenton体系中，Al0-CNTs通过腐蚀电化学过程活化O2原位产生H2O2，Fe3O4催化分解原位生成的H2O2为羟基自由基从而实现磺胺类抗生素的高效降解。在pH为1.5，SMR浓度为40mg L-1，催化剂投加量为0.5g L-1条件下，12min内对SMR的氧化降解率可达93%。磺胺类抗生素在Al0-CNTs-Fe3O4/O2类Fenton体系中的降解过程满足一级动力学方程，对于多数磺胺分子其降解速率常数与分子Mulliken电荷之间的关系可以定量为：y=-21.786x+1.750。 本研究以CNTs作为基体材料，通过表面修饰制备的强相互作用的CNTs-Fe3O4和Al0-CNTs-Fe3O4具有较强的吸附性能/催化活性，实现了水中磺胺类抗生素的有效去除，为CNTs基材料的研发提供一种新的思路；磺胺类抗生素的吸附/降解行为与其分子结构参数之间定量关系的建立也为预测和评估其它磺胺类抗生素的吸附/降解行为提供了一种新的方法。
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