多壁碳纳米管去除天然及人工合成内分泌干扰雌激素动力学及机理Word文档格式.docx

1、天然类固醇雌激素17-雌二醇（E2）、雌酮（E1）、雌三醇（E3）和人工合成雌激素17-乙炔基雌二醇（EE2）在污水及接受污水的水体中都被检测到其存在。中水或者处理过废水中残留的内分泌干扰物可能对被受纳水体中的水生生物造成慢性或者急性的不利影响，如果回收再利用的水返回到供水系统，那么它同样会对人类造成危害。在传统的活性污泥系统中，因为操作条件保持相对较短的污泥停留时间（SRTs），这种处理不包括生物脱氮除磷的过程，因此对于雌激素的去除效率很低。在硝化活性污泥中（NAS），异养菌的新陈代谢首先利用葡萄糖而不是雌酮（E1）。微量的雌激素和许多其共轭物在水处理前或者水处理过程中被微生物作用分解为游离

2、的雌激素。由于较低的亨利系数、较高的辛醇水分配系数（Kow）和较低的可生物降解性，雌激素的祛除可能是由于生物吸附组合和生物降解作用而被吸附到活性污泥上。相关研究也提到了内分泌干扰物在污泥上的吸附行为。相关报道还提到利用酶介导过程、超生破坏、臭氧和砂过滤、高铁酸钾处理、吸附法、生物膜法、生物电化学处理、高级氧化技术、电解法、硝化菌处理、生态工程处理系统（EETS）和微藻来处理内分泌干扰物。为了降低处理过废水中雌激素排放到水环境中造成的潜在风险，研究它们的祛除方法具有重大意义。因此，本文研究了天然类固醇雌激素雌三醇（E3）和人工合成雌激素17-乙炔基雌二醇（EE2）在多壁碳纳米管上的吸附行为。设计

3、了搅拌非流动的批量吸附试验来研究多壁碳纳米管对水相中内分泌干扰物的选择性吸附性能。碳纳米管（CNT）由一种（单壁，SWCNT）或者多种（多壁，MWCNT）石墨烯薄片卷绕成筒状使得每一个碳粒子都具有非常大的长径比和非常大的比表面积。对于水相中的大部分污染物，包括重金属和有机溶质来说，碳纳米管较大的比表面积使其成为一种强吸附剂。结果是，这种材料无论作为固定相还是分散相的吸附剂在环境治理中都非常重要，在分散相系统中还能促进污染物的转移。本次研究利用多壁碳纳米管作吸附剂有两个主要原因。目前，多壁碳纳米管能够大量生产并且非常廉价，因此非常可能被用来当作商业化的吸附剂。2实验部分2.1多壁碳纳米管多壁碳纳

4、米管（MWCNT）采购于MWCNT， Aldrich （St. Loius， MO， USA） （636835）。多壁碳纳米管材料的纯度95%，外径为60100nm，内径为510nm。多壁碳纳米管的长度为0.5500m。这些规格详情由制造商提供。多壁碳纳米管的表面积（BET法测得）为40300m2/g。多壁碳纳米管用作吸附剂来祛除水相中的内分泌干扰物没有做过任何预处理。2.2内分泌干扰物（EDCs）雌三醇（E3，C18H24O3）；17-乙炔基雌二醇（EE2，C20H24O2）被稀释到所图1 E3和EE2的结构式需的浓度时当作内分泌干扰物的代表性物质（图1）。E3是一种无味的白色晶体（白色，比

5、重0.965）；摩尔质量288.38g/moL；熔点范围284285；25时在水中的溶解度为0.5mg/mL（在冷水及热水中不溶）。EE2是一种无味的白色晶体；比重0.965；摩尔质量296.40 g/moL；熔点范围范围284285；25时在水中的溶解度为0.125mg/mL。2.3 批量吸附试验搅拌非流动批量吸附试验在室温下（301）采用瓶点法进行，将50mg的多壁碳纳米管放入250mL含有100mL E3/EE2所需浓度的玻璃试剂瓶中。每个独立的玻璃瓶在曲线中代表一个点。在pH=7.0的水相条件下，进行了包含100mL内分泌干扰物的掺料溶液（25，50和75g/L）和50mg多壁碳纳米管

6、的实验研究了接触时间对吸附的影响。将反应混合物在水平摇床（转速：200转/min；pH=7）上进行分别振荡5、10、15、30min；然后利用动力学和反应机理来研究EDC-MWCNT吸附系统。在2575g/L范围的内分泌干扰物初始浓度来研究吸附质浓度对吸附反应的影响（MWCNT：50mg/100mL；转速：接触时间：15min；pH=7）。在内分泌干扰物的浓度范围2575g/L、反应混合物振荡时间为平衡时间15min的条件下进行吸附等温线的研究（转速：实验也研究了pH对吸附的影响，在向反应混合液中加入MWCNT之前，采用0.1moL/L HCl或者0.1moL/L NaOH调节溶液的pH值，以

7、确保混合液的初始pH在4.59.5的范围内变化，然后加入样品试剂。最后重点研究水相中浓度为50g/L内分泌干扰物的吸附行为（MWCNT：15min）。2.4 雌激素分析采用直接竞争酶联免疫法（EIA）来检测水相中残留的雌激素浓度。在试样中同时加入E3（抗原）和生物素抗体，E3-酶的结合体限制了反E3（抗体）在微孔板上的结合点。在室温下孵育60min后，采用酶底物对微孔板进行固相洗涤（室温下，15min）。对于EE2来说，样品中EE2-抗原和EE2-酶的结合体限制了反EE2（抗原）在微孔板上的结合点。在室温下孵育60min后，采用酶底物对微孔板进行固相洗涤。加显色剂显色15min，然后利用紫外-

8、可见分光光度计在450nm下测定其吸光度。采用一系列标准溶液来绘制标准曲线，结果表明吸光度与雌激素的总浓度呈反比例关系（相关系数R2=0.9912（E3）；R2=0.9914（EE2），根据上述标准曲线来计算内分泌干扰物的总浓度。根据标准方法中的步骤来测定水相的pH。2.5 循环伏安法分析采用恒电位-恒电流系统利用循环伏安法（CV）研究纯净MWCNT和吸附有内分泌干扰物MWCNT的电化学行为，扫描速度25mV/S，扫描电位0.1+0.6V。所有的电化学测量采用三个电极，工作电极采用覆盖有MWCNT的铂电极，对电极采用石墨电极，参比电极采用Ag/AgCl（固体）点极。采用pH=7.4的磷酸盐缓冲

9、溶液作为电解质溶液。3 结果与讨论EE2是由女性卵巢分泌的雌酮经过雌二醇代谢形成的一种合成雌激素代谢物。EE2经常用来替代雌二醇、雌酮或者二者的组合来治疗更年期综合症。EE2是一种持久性的合成类环境雌激素，在女性口服避孕药和荷尔蒙替代疗法过程中中检测到其存在，因此在有污水注入的水体环境中普遍存在，同时它在河流体系中能消散长达2040天。EE2能够与自然产生的雌激素竞争来占据雌激素受体结合点来改变鱼类体内介导激素的生物指标，最终导致其内分泌紊乱，主要现象就是卵黄蛋白的合成水平有所提高。研究表明雌三醇（E3）与自身免疫反应的改变有关。3.1 接触时间的影响E3-MWCNT的吸附图像在30min的操

10、作周期内通过两个变量得到（如图2所示）。在最初10min的接触时间内，E3的吸附速率相对较高，随后到达吸附平衡（吸附在这一阶段可以忽略）而趋于稳定。大部分的E3在015min的接触时间内被吸附，因此随后的实验采用15min来作为平衡时间。与E3的吸附相比，EE2-MWCNT的吸附图像存在明显的差异，在30min操作周期内由两个变量得到（如图2b）。最初15min的接触时间下，EE2的吸附速率相对较高，随后变低图2 接触时间对EDCs在MWCNT上吸附的影响（a）E3的吸附量及吸附分数（b）EE2的吸附量及吸附分数注：接触时间30min；温度30；搅拌速度200转/min；吸附质浓度0.50g/

11、L；pH=7.0。内嵌图表明了EDCs初始浓度对吸附的影响。但是此时未达吸附平衡。大部分的E3在015min的接触时间内被吸附。EDC-MWCNT系统间存在快速且瞬时的吸附反应，这可能是由于化学吸附造成的。MWCNT活性表面上的特有官能团可能在操作期间参与了吸附反应。达到平衡后E3的吸附速率有所降低可能是由吸附剂表面可利用的活性位点减少造成的。3.2 雌激素浓度的影响为了研究初始吸附质浓度对吸附的影响，进行了一系列实验，雌激素的浓度变化范围为2575g/L，实验条件：吸附剂量，50mg/100mL；接触时间15min；温度，301；震荡速度，200转/min；对于E3来讲，当其浓度由25g/L

12、增大到75g/L时，其吸附量稳定增加（如图2）。EE2也具有类似的现象，较高的底物浓度具有较高的吸附量。研究表明，较高浓度的雌激素在MWCNT上具有较高的吸附速率。3.3 吸附动力学根据水相中EDC浓度得到的动力学模型对于理解吸附机理很有用。由批量吸附实验（EDC浓度，50g/L；pH=7.0）得到的动力学数据来拟合动力学模型的线性关系，动力学模型有粒子内扩散模型、准一级反应模型、准二级反应模型。3.3.1 粒子内扩散模型粒子内扩散模型源自于费克第二定律，假定粒子内扩散系数D是常数，并且吸附剂对吸附质的吸附不影响溶液中吸附质的总量，其数学模型如下： （1）由方程（1）可绘出粒子内扩散模型的曲线

13、图，根据单位质量吸附剂所吸附图3 EDC-MWCNT吸附系统的粒子内扩散模型图。（a）E3（b）EE2吸附剂量，0.50g/L；pH=7.0的EDC量（qt）与接触时间的平方根（t0.5）的关系得到（如图3所示）。如果吸附过程服从粒子内扩散模型，其图形应该是一条过原点的直线。对于E3和EE2系统来说，直线都不过原点。这表明吸附反应在一定程度上受边界层效应的控制，而且粒子内扩散也不是唯一的速率控制步骤，吸附速率还可能受其它过程控制。EDC-MWCNT吸附系统的粒子内扩散模型图呈现几种线性图形。一般来说，多条不过原点的直线图表明有两个或者更多的速率控制步骤。粒子内扩散模型图的初始部分可能是由EDC

14、从液相转移到碳纳米管的外表面时的边界层扩散造成的；图形的最后部分是由最终的平衡想造成的，粒子内扩散开始变得缓慢是由于水相中可利用的EDC浓度非常低。尤其是对于E3-MWCNT系统在E3浓度为75g/L时来说，中间的直线部分代表了渐增的吸附阶段。边界层扩散有几个参数控制，包括吸附剂的外表面积，这主要由吸附剂粒子的尺寸、形状和密度决定；溶液浓度和振荡速度。吸附剂的颗粒尺寸通常影响吸附速率。在吸附过程中，较大的吸附剂颗粒尺寸能够造成更大的粒子内扩散阻力。3.3.2 动力学模型首先假定EDC-MWCNT的吸附过程为准化学反应，则可以通过准一级反应方程（方程2）和准二级反应方程（方程3）来确定吸附速率。

15、 （2） （3）Ln（qeqt）与接触时间t呈现直线关系，表明EDC-MWCNT的吸附过程满足准一级反应方程（2）（如图4所示）。采用准一级反应方程来处理动力学数据图4 准一级动力学模型图 （a）E3（b）EE2 图5 准二级动力学模型图能够得到最合适的动力学模型，对于E3的吸附，线性相关系数R2为0.87630.9801；对于EE2的吸附，线性相关系数R2为0.94430.9985。尤其是当吸附质的浓度较低时，两种内分泌干扰物的图形都呈现出较好的线性关系。根据所得图形的斜率可以计算出准一级反应速率常数k1如下：E3，3.01min1（25g/L）、3.68 min1（50g/L）、4.48

16、min1（75g/L）；EE2，4.04 min1（25g/L）、3.65 min1（50g/L）、2.78 min1（75g/L）。如果t/qt与时间t呈线性关系，那么吸附过程服从准二级反应方程（方程3）。采用准二级反应方程来处理动力学数据能够得到最合适的动力学模型（如图5所示），对于E3的吸附，线性相关系数R2为0.45260.9999；对于EE2的吸附，线性相关系数R2为0.99790.9999。在较低的吸附质浓度条件下，对于两种内分泌干扰物来说，与由准二级反应方程计算得到的数据相比，吸附平衡数据与准二级反应模型图相吻合。相反地，EE2-MWCNT的吸附动力学数据很好的与准二级反应方程相

17、吻合而与吸附质E2的浓度无关。根据图像的斜率可以计算出MWCNT吸附水相中EDCs的准二级反应速率常数k2如下：E3，0.24 min1（25g/L）、0.04 min1（50g/L）、0.11 min1（75g/L）；EE2，0.05 min1（25g/L）、0.08 min1（50g/L）、0.20 min1（75g/L）。3.4 扩散机理进行一项试验来计算下列系数：孔扩散系数（Dp）和膜扩散系数（Df）可以用来研究EDC被MWCNT吸附时的扩散性质。首先假定吸附剂呈几何球面型，吸附过程的总反应速率常数能够和孔扩散系数及膜扩散系数关联起来，如下列方程（4）和（5）所示： （4） （5）膜扩

18、散系数（Df）的变化范围如下：0.206108cm2/s0.245108cm2/s（E3）；0.204108cm2/s0.241108cm2/s（EE3）。孔扩散系数（Dp）的变化范围如下：0.187106cm2/s0.375106cm2/s（E3）；0.352106cm2/s（EE2）。如果膜扩散是速率控制步骤，那么膜扩散系数的值应在106 cm2/s108 cm2/s；如果孔扩散是速率控制步骤，那么孔扩散系数的值应在1011cm2/s 1013cm2/s。通过对上述扩散系数数据的分析发现MWCNT-EDC的吸附系统更倾向于膜扩散控制。3.5 吸附平衡采用平衡等温线模型来处理实验所得到的吸附

19、平衡数据。通过模型参数和以热力学为基础的假定，我们可以很直观的了解吸附机理及吸附剂的表面特性和亲和性。实验采用了三种吸附等温线模型：Langmuir、Freundlich、Dubinin-Radushkevich（D-R），根据上述模型来分析平衡数据。Langmuir等温线模型主要用于单分子层吸附的研究（方程6）。 （6）平衡数据图像是一条拟合较好的直线，其线性相关系数R2如下：0.9999（E3）；0.9979（EE2）。这一结果表明数据满足变形后的Lagmuir模型方程（见图6）。吸附量Qm单层饱和量；0.52g/g（E3）；5.59g/g（EE2 ）和Langmuir常数图6 EDC-M

20、WCNT吸附系统的Langmuir等温线（a）E3，（b）EE2k0.0005g1（E3）；0.0571g1（EE2）。上述两个参数的数值由直线的斜率和截距计算得到。Langmuir吸附等温线的基本性质可以用一个无量纲的常数分离因子Rs来表示（见方程7）： （7）K：朗格缪尔常数Co：E3的初始浓度根据分离因子的数值可作出如下判定，当Rs1时表示不利于吸附；Rs=0表示吸附过程是线性的；0Rs1表示有利于吸附；Rs0表示吸附过程是不 图7 EDC-MWCNT吸附系统的Freundlich等温线（a）E3（b）EE2可逆的。由方程（7）处理的数据得到Rs的值在01之间，由此可知，EDC-MWCN

21、T系统间的吸附在自然界是有利于进行的。Frenudlich等温线模型经常用于非理想条件下的非均相吸附现象，其线性形式的方程（8）如下： （8）Freundlich等温线模型图的线性相关系数R2如下：0.9997（E3）；0.9451（EE2）（见图7）。吸附容量Kf值如下0.96L/g（E3）；2.16 L/g（EE2），吸附强度1/n值如下：0.77（E3）；4.74（EE2），上述数据由EDC-MWCNT系统的Freundlich等温线的斜率和截距计算得到。Randushkevich和Dubinin研究表明：吸附特性曲线与吸附剂的多孔结构有关。常数与每摩尔吸附剂的平均吸附自由能有关，这些能

22、量在溶液中从无限远处转移到固体的表面，这种能量可以有方程（9）的直线形式模型计算得到。 （9）波兰尼吸附势值可通过方程（10）计算得到： （10）参数代表平均自由能，参数E（kJ/moL1）是每摩尔吸附质从溶液中转移到固体表面时的吸附能，其数值可根据下列关系式计算得到： （11）与Langmuir和Freundlich等温线模型相比，D-R等温线模型图的拟合直线的线性相关系数相对较差（见图8）。E3-MWCNT吸附系统（R2=0.8509）相比EE2-MWCNT吸附系统（R2=0.7567）能较好的符合D-R等温线模型。图 8 EDC-MWCNT吸附系统的D-R等温线模型（a）E3（b）EE2

23、从上述EDC-MWCNT吸附系统的等温线模型可看出，Langmuir等温线模型就有相对较好的线性关系。这表明：EDC分子在碳纳米管表面呈单分子覆盖层结构；吸附剂表面的结合位点呈均匀分布。3.6 氧化还原条件的影响水相的pH值对雌激素-碳纳米管吸附系统具有非常大的影响（如图9所示）。图 9 水相pH对EDC-MWCNT吸附系统的影响（a）E3（b）EE2pH值能够改变目标化合物和吸附剂的电离情况，其主要影响羧基官能团和羰基官能团的电离。碳纳米管（官能团）上的电荷转移和溶液中离子形式的EDCs还取决于水相的氧化还原状况。通过对两种雌激素的吸附研究发现，在中性条件下，MWCNT的吸附量最大。与此相反

24、，在碱性范围内，EE2的吸附容量持续不变。尤其是对于EE2来说，酸性条件下的吸附容量要比在碱性条件下低的多。这一现象可用目标化合物的电离来解释，而这也与EE2的分子印迹聚合物（MIP）吸附系统相一致。对于实际生产目的和吸附操作过程的推广，对于EE2的吸附来说，最佳水相pH应为7.0。循环伏安法分析研究了纯净多壁碳纳米管和吸附有EDCs的多壁碳纳米管的电化学行为。由于吸附作用的影响，我们可以看到MWCNT的伏安图发生了很大的变化（如图10所示）。与吸附有EDCs的多壁碳纳米管相比，纯净碳纳米管的催化电流较低。EE2-MWCNT的催化电流比E3-MWCNT的高。吸附有EDCs的多壁碳纳米管的氧化峰

25、和还原峰电流都比纯净碳纳米管的大。然而，对于每种情况来说，氧化峰电流和还原峰电流几乎相等，这表明多壁碳纳米管同时具有氧化-还原特性。我们可以观察到峰电流具有一定的增量，这可能是由于MWCNT吸附EDCs造成的，在实验所采用的电势范围内，吸附质雌激素可能和磷酸盐缓冲溶液（PBS）（作用成分：K+和PO34离子）相互间发生反应。吸附在MWCNT表面的雌激素可能发生电子转移造成氧化峰电流提高。雌激素的化学结构可能影响其在图10 不同组成MWCNT的循环伏安图对电极Ag/AgCl；扫描速度25mV/s；工作电位0.1+0.5VMWCNT上的反应，这反过来也影响伏安图中的峰电流。EE2-MWCNT吸附系

26、统具有较高的氧化还原电流，这可能是因为EE2比E3具有更高的电化学活性。另外一种可能的原因是当雌激素和PBS之间发生电化学反应时形成了络合物。当MWCNT吸附有EDC之后，电量（3.443103C）也有所增加，与E3-MWCNT（2.544103C）和纯净MWCNT（1.545103C）相比，E2-MWCNT具有更高的电荷量。尽管MWCNT能够吸附较多的E3，但是EE2的伏安图具有较高的峰电流，这可能是由于在相同的电势下，EE2比E3就有更高的电化学活性。结论搅拌非流动的批量吸附试验表明了吸附祛除两种内分泌干扰物的可行性；吸附质天然（雌三醇）和人工合成（17-乙炔基雌二醇）；吸附剂为多壁碳纳米管。粒子内扩散图像表明粒子内扩散不是唯一的速率控制步骤。与准二级反应方程相比，对于较低浓度的E3来说，吸附平衡数据更符合准一级反应动力学方程。与Freundlich和D-R等温线模型相比，等温线数据更符合Langmuir等温线模型。在中性的氧化还原条件下，EDCs的吸附容量最大。采用循环伏安法研究了纯净MWCNT和吸附有EDCs的MWCNT的吸附行为。采用电化学技术能够让我们更容易的理解吸附机理和任何吸附系统中吸附质与吸附剂间的相互反应。 谢辞作者首先感谢自己的导师，正是由于与他的鼓励和支持，这篇论文才才得以顺利完成。参考文献