活性炭三维电极法处理阿莫西林模拟废水_孙丰霞.pdf

202302环境工程94Modern Chemical Research当代化工研究202302环境工程94Modern Chemical Research当代化工研究活性炭三维电极法处理阿莫西林模拟废水孙丰霞1,2 孙超1,2 王玉军1,2 李明1,2*（1.山东农业大学资源与环境学院 山东 271018 2.土肥资源高效利用国家工程实验室 山东 271018）摘要：当前，抗生素在环境中的累积对生态环境安全及人类健康造成了威胁，已经引起了国内外的广泛关注。阿莫西林是一种应用较多的抗生素。因此，本文将三维电极与活性炭纤维结合，活性炭纤维分别作为三维电极的阴极与阳极，以活性炭颗粒为三维电极的第三极。探究电极电压、极板间距、pH、电解时间、活性炭颗粒投加量5种因素对去除模拟废水中阿莫西林及COD的影响。实验结果表明，处理1000mL浓度为100mgL-1的阿莫西林模拟废水，当电极电压为10V，极板间距为8cm，pH为4，电解时间为40min以及活性炭颗粒投加量为6g时对模拟废水的处理效果最好，阿莫西林去除率达89.5%，COD最高去除率达到69.7%。因此，活性炭三维电极法可以作为阿莫西林废水的预处理工艺，对降低废水中阿莫西林及COD含量效果较明显。关键词：三维电极；阿莫西林废水；活性炭；COD去除中图分类号：X79 文献标识码：A Removing Amoxicillin From Simulated Wastewater Using Three-Dimensional Electrode of Activated CarbonSun Fengxia1,2,Sun Chao1,2,Wang Yujun1,2,Li Ming1,2*(1.College of Resource and Environmental,Shandong Agricultural University,Shandong,2710182.National Engineering Laboratory for Effi cient Utilization of Soil and Fertilizer Resources,Shandong,271018）Abstract：At present,the accumulation of antibiotics in the environment poses a threat to the ecological environment safety and human health,which has attracted wide attention at home and abroad.Amoxicillin is a widely used antibiotic.Thus,the activated carbon fiber was used as the cathode and anode of the three-dimensional electrode,and the activated carbon particles were used as the third pole of the three-dimensional electrode.Five factors,the electrolysis voltage,electrode plate spacing,pH value,electrolysis time and carbon particles dosage were selected as the main parameters in the tests of removing amoxicillin and COD from simulated wastewater in this study.According to the results,when 1000 mL amoxicillin simulated wastewater with a concentration of 100 mgL-1 was treated,10 V of electrode voltage,8 cm of plate spacing,60 min of electrolysis time,4 of pH and 6 g of carbon particles dosage could lead to the best removal efficiency.Under these conditions,the removal rate of amoxicillin was 89.5%,and removal rate of COD was around 69.7%.In conclusion,the three-dimensional electrode method of activated carbon can be used as a pre-process to deal with amoxicillin wastewater,which is more effective in reducing amoxicillin and COD content in wastewater.Key words：three-dimensional electrodes method；amoxicillin wastewater；activated carbon；COD removal近年来，我国抗生素滥用现象严重。医疗、畜牧、水产养殖业等对抗生素的不合理使用导致环境中存在大量抗生素残留1-2。而用于畜禽养殖等的抗生素药物只有15%可被动物吸收利用，大约85%被直接排放到环境中3。抗生素一旦进入环境就会扩散到土壤、水体和空气中，对环境中的植物、微生物等表现出了一定的毒性效应，造成了潜在的生态风险4。在多种形态的水体5-8、土壤9中均检测出了抗生素。环境中的抗生素能引起化学药物的污染与抗生素抗性基因污染10。其中，抗生素进入水环境中的途径有畜禽养殖粪便滤液通过土壤渗入到地下水，医药废水、医院用水排放，及一些含抗生素生活污水的排放等3。相比较来言，抗生素在制药废水中残留量较高，是水体污染的主要途径。有研究表明一些水溶性差的抗生素会在鱼类及脊椎动物体内富集，最终通过食物链威胁人体健康11。因此，作为水体抗生素的污染来源之一，制药废水中残留的高浓度抗生素的去除应该引起重视。阿莫西林是半合成青霉素类广谱-内酰胺类抗生素之一。阿莫西林的水溶液很容易形成聚合物，所以其性质相对天然青霉素更稳定，处理难度更大12。抗生素废水是一种色度高、成分复杂、含难降解有机物质、生物毒性物质高的有机废水13，其可生化性差14的特点促使更多阿莫西林废水处理方法的提出与应用。而传统的污水处理方法（活性污泥法）并不能有效去除抗生素，电化学法在处理难降解有机污染物方面优势明显，是当前研究的热点。三维电极法最早于1969年，由Backhurst提出，从此开始了三维电极电化学方法的研究。由于三维电极与传统二维电极相比，电解槽面体比更高，电流效率和时空效率高，传质速度和反应速度更快，处理效果远高于传统二维电极以及其它电化学方法，因此研究202302环境工程95Modern Chemical Research当代化工研究202302环境工程95Modern Chemical Research当代化工研究和应用三维电极电化学方法具有极为重要的价值15-16。与三维电极常用的金属电极和一般活性炭电极等电极材料相比，该试验选用的电极材料活性炭纤维作为一种绿色环保纤维，有丰富和发达的孔隙结构等优良品质，因此被广泛利用作为吸附材料、电极材料、催化剂载体等17-18，可有效提高该体系对抗生素的处理能力，具有显著的优越性。该研究依托三维电极电催化氧化与还原反应的高效处理效果，研究处理阿莫西林模拟废水，探究电极电压、极板间距、pH、电解时间、活性炭颗粒投加量5种因素对去除模拟废水中阿莫西林及COD的影响，为阿莫西林废水的处理提供理论参考依据，具有重要的现实意义。1.材料与方法(1)试验材料与试验装置试验所用材料试剂与装置见表1。试验废水为实验室配制阿莫西林模拟废水，由阿莫西林与去离子水配制而成。模拟废水阿莫西林初始浓度为100mgL-1。表1 试验主要仪器与材料名称型号/规格生产厂商阿莫西林USP级，95%上海源叶生物科技有限公司液相色谱仪1100安捷伦科技有限公司直流电源RXN-305D深圳市兆信电子仪器设备有限公司磁力搅拌器78常州国华电器有限公司活性炭纤维SY-1300上海联兵环保科技有限公司活性炭颗粒分析纯天津市凯通化学试剂有限公司笔式pH计pHB-10杭州奥立龙仪器有限公司活性炭三维电极处理阿莫西林模拟废水具体试验装置见图1。试验所用反应器为自制玻璃电解槽（10cm 10cm20cm），电解槽内两侧分别放置一块活性炭纤维（5mm30mm100mm）做阴极电极与阳极电极，投入活性炭颗粒构成三维电极。电解槽内放置一枚磁力转子，与电解槽下方的磁力搅拌器构成搅拌系统，以维持活性炭颗粒呈立体分布在电极槽内。图1 试验装置图(2)试验设计与检测方法试验中，每次投加100mgL-1的阿莫西林模拟废水1000mL，在不同控制条件下开展三维电极法处理模拟废水的研究，对处理后的模拟废水中阿莫西林的浓度、COD指标进行测定，确定三维电极法处理阿莫西林模拟废水的电极电压、极板间距、pH、电解时间、活性炭颗粒投加量5种因素的最佳工艺组合。其水质指标测定方法为：阿莫西林含量在波长240nm条件下用安捷伦1100型液相色谱仪测定，流动相成分为超纯水55%，0.1%的甲酸30%，甲醇15%。流速是0.5mLmin-1，进样量为10L，保留时间是7min左右。COD用标准重铬酸钾法进行测定。(3)试验材料的处理活性炭具有较强的吸附作用16-18，为削弱活性炭的吸附作用对三维电极处理阿莫西林效果的影响，将试验材料进行如下处理：活性炭纤维电极的预处理：将电极裁剪至特定规格后反复多次置于100mgL-1阿莫西林溶液中浸泡至活性炭纤维电极板对阿莫西林吸附达饱和状态，取出即用。活性炭颗粒的预处理：将活性炭颗粒经去离子水清洗后浸泡24h，烘箱内在105烘烤24h，降至室温后称取定量颗粒反复多次用阿莫西林模拟废水浸泡至吸附饱和。电解及模拟废水电解后抽滤均在避光条件下进行。2.结果与讨论(1)正交试验结果及分析本试验选取电极电压、极板间距、pH、电解时间以及活性炭颗粒投加量5种因素以及相应4种水平对活性炭三维电极处理阿莫西林模拟废水的效果进行探索研究，以期选取活性炭三维电极处理阿莫西林模拟废水的最佳反应条件。试验选取的5因素4水平详见表2。表2 正交试验影响因素及水平水平影响因素ABCDE电极电压/V极板间距/cmpH电解时间/min活性炭颗粒投加量/g152220621044409315666012420888015将选取试验影响因素与水平组合后得出表3所示16种组合，通过试验分别探索不同组合下活性炭三维电极对阿莫西林的处理效果。由试验以及极差分析可知，活性炭三维电极法对阿莫西林模拟废水的处理效果较明显，阿莫西林去除202302环境工程96Modern Chemical Research当代化工研究202302环境工程96Modern Chemical Research当代化工研究率最高达88.42%。活性炭三维电极处理阿莫西林模拟废水影响因素大小为：pH电解时间电极电压极板间距活性炭颗粒投加量。其中阿莫西林三维电极处理最优组合为C3D2A2B4E1，即当初始pH为6，电解时间为40min，电极电压为10V，极板间距为8cm以及活性炭投加量为6g时阿莫西林去除率达最大。表3 正交试验结果与分析组合ABCDE阿莫西林去除率/%11111152.6621222263.3231333366.7541444467.8352123462.9262214343.5572341284.8082432188