富缺陷三维石墨烯基分子印迹光催化体系对畜禽沼液中重金属-抗生素污染去除机制研究

In recent years, the heavy metal and antibiotic pollutions in livestock excreta-based biogas slurry becomes more and more serious. This has greatly confined the resource reuse of the slurry, and also gives serious threat to the ecological security of farmland. Since the great differences in the properties between heavy metal and antibiotic and strong biotoxicity of the two pollutants, conventional water treatment techniques and individual treatment method cannot achieve the high efficiency and total removal of the pollutants. Thus, how to effectively control the combined pollution of heavy metal and antibiotic has become an important topic in the field of environmental engineering. Aiming to overcome the limitations of present treatment techniques, this preject plans to build a defect-rich graphene foam based photocatalytic system, which can achieve the defect-induced capture of heavy metal ions and selective degradation of antibiotic with molecular imprinting technique. On the other hand, the 3D porous framework can guarantee the process undertaking fast and efficiently. This project deeply investigates the mechanism in the removal process of heavy metal and antibiotic combined pollution and the influences from the environmental factors. Also, the wastewater treatment reactors are set up based on the materials to explore the technological parameters in practical application. The corresponding research results can give great guidance to the control of heavy metal and antibiotic combined pollution, showing great application prospects in resource reuse of livestock excreta-based biogas slurry.

近年来，畜禽沼液中重金属和抗生素污染严重，这极大地限制了沼液的资源化利用，也对农田生态安全造成严重威胁。由于重金属和抗生素的性质差异较大、生物毒性较强，传统的水处理技术和单一的处理方法难以达到高效、彻底去除污染物的目的。因此，如何有效地控制重金属和抗生素复合污染已经成为环境领域的重要议题。本项目针对目前重金属和抗生素污染控制技术上的不足，研究构建富缺陷的三维石墨烯光催化体系。该体系可通过缺陷诱导进行重金属离子的捕获，通过分子印迹光催化技术对抗生素进行选择性去除。同时，三维多孔的骨架结构也保证了该过程快速、有效地进行。项目通过实验研究深入探讨了材料在重金属-抗生素复合污染去除过程中的作用机制以及环境因子对该过程的影响，并以该材料为基础搭建反应装置，研究该材料在实际应用中的工艺参数。有关研究成果对重金属-抗生素复合污染的控制具有十分重要的指导意义，在沼液资源化利用方面具有广阔的应用前景。

抗生素和重金属易在水体中形成复合污染对污水处理与资源化利用过程造成不利影响。抗生素和重金属两种污染物的性质具有较大差异性且生物毒性强，这使得现有水处理方法难以实现对该复合污染物的有效去除。本课题利用吸附-光催化过程和缺陷结构相结合的方法，实现了对抗生素-重金属复合污染物的同步高效去除。研究构建了无载体的CNQD@TNF和石墨烯载体的TiO2/CN/3DG三维复合材料体系并对其结构进行了缺陷调控，揭示了缺陷对吸附和光催化过程的作用机制及其对抗生素-重金属复合污染的去除机理。研究发现，对于CNQD@TNF材料，铜离子可以对抗生素的降解形成干预效应，随着催化剂表面铜离子的积累，这种影响从激励效应转换为抑制效应。并且相较于无缺陷材料，表面缺陷的引入可以防止铜离子的抑制效应，对四环素分子的降解更为彻底。理论计算表明，缺陷可以调控复合材料的导带位置，诱导铜离子的还原反应的发生位置以及抑制铜在催化剂表面的积累。对于TiO2/CN/3DG材料，缺陷工程调控可以增加光生空穴和羟基自由基的生成，从而提升复合材料的光催化活性。吸附在缺陷化复合材料表面的四环素分子的反应活性位点得到了提升。在二氧化钛上缺陷的构建对于四环素的降解和铜离子的吸附展现出优势，但在四环素和铜离子复合污染体系中四环素降解过程遭受了显著的抑制效应。相较之下，石墨烯表面的缺陷构筑可以更有效的实现对四环素和铜离子的协同去除。这些研究成果为抗生素和重金属复合污染的污水处理过程提供了新的思路以及理论和实践基础。