石墨烯对典型抗生素类药物的吸附作用机制研究

石墨烯是新型二维碳基纳米材料，具有独特的结构和物理化学特性及高比表面积（理论计算值高达2620 m2/g），具备作为优良吸附材料的潜力，但石墨烯对有机污染物的吸附研究未见报道。抗生素药物污染已引起国内外广泛关注，亟待进行有效控制。我们的前期研究结果表明，石墨烯可高效吸附水中的泰乐菌素，吸附特性与碳纳米管存在明显差异，而其中的作用机制尚不明确。本项目拟系统研究石墨烯对典型抗生素药物的吸附作用机制。以石墨为原料合成石墨烯；通过表面化学反应获得具有不同表面极性和酸碱性的表面官能化石墨烯。研究典型抗生素药物在石墨烯上的吸附、脱附行为，重点阐明石墨烯对抗生素药物分子的吸附作用机制，揭示石墨烯的结构和表面化学特性与其吸附抗生素药物效率之间的内在关联规律，为发展高效去除水中典型抗生素污染物的吸附材料提供理论依据和技术支撑。

抗生素药物污染近年来引起国内外广泛关注，亟待进行有效控制。二维碳基纳米材料石墨烯具有独特的结构特性及高比表面积，具备作为优良吸附材料的潜力。本项目以化学还原法和热还原法分别制备的石墨烯为吸附剂材料，研究了石墨烯对典型抗生素药物的吸附行为，探讨了吸附作用机制，揭示了石墨烯结构特性与其吸附性能之间的关联。研究结果表明：化学还原法和热还原法制备的石墨烯材料比表面积与石墨相比均有较大提升；两种方法制备的石墨烯材料对于四环素、磺胺甲恶唑、磺胺吡啶和苯酚均具有良好的吸附性能，吸附符合Freundlich等温吸附模型；四环素在石墨烯表面的吸附主要基于范德华力、π-π电子交互作用和阳离子-π键作用。磺胺甲恶唑和磺胺吡啶的吸附源于π-π电子交互作用。在实验pH值范围内质子化的磺胺吡啶尚可以静电相互作用在石墨烯表面吸附；随着pH值从3升高到11，磺胺吡啶和磺胺甲恶唑在化学还原石墨烯材料上吸附的Kd值约下降两个数量级。四环素在两种石墨烯上的吸附均在pH为8~9附近出现接近一个数量级的提升，而在其它pH值范围保持相对稳定；四环素在两种石墨烯上的吸附Kd值随着离子强度升高而降低，其中Ca2+的影响大于Na+。Na+对于磺胺吡啶在化学还原石墨烯和热还原石墨烯上的吸附影响甚微，而Ca2+导致磺胺吡啶在两种石墨烯上的吸附略有下降；可溶性腐殖酸对磺胺吡啶在两种石墨烯材料上的吸附影响较小。磺胺甲恶唑在两种石墨烯上的分配系数Kd随腐殖酸的加入而轻微下降。四环素在石墨烯上的吸附在可溶性腐殖酸存在时略有升高，Kd随腐殖酸浓度的增加而增大。. 本项目开展了氧化锆-氧化石墨复合材料制备及吸附性能研究。以氧化石墨为载体，采用后嫁接法在有机相中合成了氧化锆-氧化石墨复合材料。由于在该方法中采用惰性的无水甲苯作为有机相，同时采用有机物正丙醇锆作为锆源，不仅提高了氧化石墨的分散性，还使得氧化锆的前驱体优先通过共价键作用锚定在材料表面的含氧官能团上，实现了氧化锆在氧化石墨表面的高度分散。研究了氧化锆-氧化石墨复合材料对于水中磷酸盐的吸附作用，结果表明材料可高效吸附磷，并可实现脱附再生和循环使用。本研究为拓展氧化石墨和石墨烯材料在水污染控制中的应用提供了有益的思路和尝试。