多级孔类石墨烯氮化硼可控构筑及其吸附典型抗生素的研究

The residual trace antibiotics in chemical pharmaceutical wastewater have threat to ecosystem. Adsorption technology is a promising choice for deep removal the trace pollutant of antibiotics under mild condition. In this project, the construction of hierarchical porous graphene analogue layered boron nitride adsorbent which has large specific surface area and with the advantages of high selectivity, high adsorption capacity, high adsorption rate for the removal of several typical antibiotics was investigated. For enhancing the adsorption capacity and the recycling performance, the adsorbent structure will be regulated. The influence of the layer thickness, pore size, pore size distribution, pore volume and specific surface area on the adsorption performance will be discussed to reveal the composition-structure-activity relationship, and the adsorption kinetics and thermodynamics will be also investigated. It will be to establish the preparation method of hierarchical pores graphene analogue BN, revealing their formation mechanism and regulating law by changing the preparation conditions and influence factors. With spectra study, the adsorbent-adsorbate interaction mechanisms between antibiotics and hierarchical pores graphene analogue BN with the specific structure and composition will be researched. The regeneration and recycling will be studied.

化工制药废水处理后残留的痕量抗生素会引发生态隐患，吸附法能在温和条件下深度去除废水中痕量抗生素。本项目针对处理后的制药废水中低含量、高毒性、难降解的几种典型抗生素，以金属基离子液体为双功能模板剂，构筑含多级孔的大比表面积类石墨烯氮化硼吸附剂，实现其快速、高效、高选择性吸附抗生素的目标。通过改变制备条件和影响因素，建立多级孔类石墨烯氮化硼吸附剂的制备方法。考察多级孔类石墨烯氮化硼吸附剂的层厚度、孔径尺寸、孔径分布、孔体积和比表面积等因素对吸附性能的影响规律，探究其组成-结构-性能之间的关系，考察吸附过程的动力学和热力学特性，实现深度净化抗生素废水。通过光谱表征，阐明特定结构、组分的多级孔类石墨烯氮化硼吸附剂与抗生素之间的作用机制，考察其对几种典型抗生素的最大吸附容量和再生循环使用寿命。

本项目系统研究了系列高比表面积类石墨烯氮化硼 (g-BN)吸附剂在吸附脱除制药废水中几种典型抗生素方面的应用。通过该课题的研究，设计并合成了八种基于g-BN的高活性吸附剂，通过调变制备条件和影响因素，并引入不同的活性中心，最终实现了快速、高效、高选择性吸附抗生素的目标。本项目主要进行了以下几个方面的研究工作。..1. 建立了高比表面积二维少层g-BN纳米片吸附典型抗生素的新方法，通过调变溶剂诱导晶面控制合成了系列不同比表面积的g-BN，其对四环素的平衡吸附容量最高达400 mg/g，结合XRD、FTIR表征和Freundlich等温线拟合度以及密度泛函理论计算推导其吸附机理主要为π-π叠加型多层吸附。此外，提出了液氮剥离法制备g-BN的新方法，剥离后比表面积的增加有效提升了BN对多种抗生素等有机污染物的吸附速率和容量，且体现出明显地吸附选择性。..2. 建立了KOH和ZnCl2原位刻蚀制备含缺陷位的多孔g-BN高效吸附典型抗生素的新方法。表面缺陷的成功构建，不仅改变了g-BN表面的电荷分布，引入了高活性缺陷位，还在g-BN表面成功造孔，进一步增加了比表面积，四环素在Nf-BN和Bf-BN上的4 h平衡吸附量分别达412 mg/g和435 mg/g，吸附过程符合准二级动力学模型和Freudlich等温线模型，且吸附剂易再生和循环使用。 ..3. 提出了通过调变煅烧气氛或引入金属活性中心原位合成非金属碳原子或金属纳米粒子掺杂的薄层g-BN纳米复合物吸附剂高效脱除典型抗生素的新方法。非金属碳的引入降低了BN的硬度，增强了吸附的相互作用力，C-BN对罗丹明B的最大吸附容量提升到833 mg/g。此外，金属纳米粒子的引入也明显提升了BN的吸附活性，Ag(1%)-BN和α-Fe2O3(0.5%)/BN的吸附效果最好，对四环素的最大单分子层吸附容量分别达358和541 mg/g，吸附迅速，2-4 min就达半数平衡吸附量。结合pH吸附依赖性、动力学和热力学性质分析以及理论计算，疏水作用、静电作用力、路易斯酸碱作用、σ-π作用力和π-π作用力等为主要吸附机理。..此外，基于经济性和高效性设计了氮化硼负载的树突状二氧化硅微球吸附剂，进一步扩展了氮化硼材料在吸附领域的研究。