Treatment of Hg(Ⅱ)-tetracycline compound pollution in water by sulfhydryl modified cellulose

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0958

Abstract

Abstract:

Sulfhydryl modified cellulose(Cell-SH) was used as adsorbent to treat the combined pollution of Hg(Ⅱ) and tetracycline(TC) in aqueous solution. Effects of pH and coexisting cations on the removal efficiency of composite pollution were investigated, and the adsorption isothermal curves, adsorption thermodynamics, and kinetics were discussed. Meanwhile, the adsorption mechanism was explored. The results showed that Cell-SH exhibited good treatment performance on the combined pollution of Hg(Ⅱ) and TC in aqueous solution under pH of 6. The presence of co-existing cations in the solution had a relatively small effect on the removal of Hg (Ⅱ), while the presence of divalent cations had a greater impact on the adsorption of TC. The results of the cyclic regeneration experiments showed that Cell-SH exhibited good cyclic performance in adsorbing TC-Hg (Ⅱ), and after 5 adsorption-desorption cycles, both of the adsorption rate of TC and Hg (Ⅱ) could still maintain above 70%. The adsorption process fitted well with the quasi-second-order kinetic equation and Langmuir isothermal adsorption model, which implied that the adsorption of Hg(Ⅱ) and TC by Cell-SH belonged to monolayer adsorption. The adsorption process was mainly controlled by chemical adsorption. The adsorption of Hg(Ⅱ) and TC by Cell-SH involved electrostatic attraction, complexation, and hydrogen bonding.

Key words: modified cellulose, mercury, tetracycline, compound pollution, adsorption

摘要：

以巯基化改性纤维素（Cell-SH）为吸附剂，系统研究了其对水溶液中Hg（Ⅱ）和四环素（TC）复合污染的处理效果。实验考察了溶液pH和共存阳离子对复合污染处理效果的影响，并对吸附等温线、吸附热力学和动力学进行探讨，同时对其吸附机理进行探究。结果表明，在pH为6时，Cell-SH对Hg（Ⅱ）和TC复合污染的处理效果较好，溶液中共存阳离子对Hg（Ⅱ）的去除影响较小，而二价阳离子的存在对TC的吸附影响较大。循环再生实验结果表明，Cell-SH对TC和Hg（Ⅱ）的吸附表现出较好的循环使用性能，经历5个吸附-解吸循环，对TC和Hg（Ⅱ）的吸附率均仍能保持70%以上。吸附过程符合准二级动力学方程，等温吸附曲线均符合Langmuir等温吸附模型，表明Cell-SH对Hg（Ⅱ）和TC的吸附属于单分子层吸附，吸附过程主要以化学吸附为主。Cell-SH对Hg（Ⅱ）和TC的吸附作用主要涉及静电引力、络合作用及氢键结合等。

关键词: 改性纤维素, 汞, 四环素, 复合污染, 吸附

CLC Number:

X52
TQ424

Nengli LIAN, Jing LUO, Changxue LIN, Zhiying WANG, Rongjun ZHUANG, Changye XIAO. Treatment of Hg(Ⅱ)-tetracycline compound pollution in water by sulfhydryl modified cellulose[J]. Industrial Water Treatment, 2024, 44(10): 183-192.

连能利, 罗竞, 林长学, 王智英, 庄荣俊, 肖长烨. 巯基化改性纤维素对水中Hg（Ⅱ）-四环素复合污染的处理研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 183-192.

/ / Recommend / Download Citations

URL: https://www.iwt.cn/EN/10.19965/j.cnki.iwt.2023-0958

https://www.iwt.cn/EN/Y2024/V44/I10/183

Figures/Tables 13

References 37

1	陶辉，顾颖，林涛，等. Fe²⁺/PMS同步处理锰和有机物复合污染原水［J］. 中国给水排水，2023，39（15）：64-69.
	TAO Hui， GU Ying， LIN Tao，et al. Fe²⁺/PMS system for simultaneous removal of manganese and organic matter from combined polluted raw water［J］. China Water & Wastewater，2023，39（15）：64-69.
2	林吟萱，于娇，吴玲玲. 抗生素和重金属复合污染现状及其生态效应研究进展［J］. 应用化工，2023，52（2）：504-510.
	LIN Yinxuan， YU Jiao， WU Lingling. The status and ecological effects of antibiotics and heavy metals combined pollution：A review［J］. Applied Chemical Industry，2023，52（2）：504-510.
3	李彬，张晨阳，陶伟伟. 制药废水处理技术研究进展［J］. 工业水处理，2022，42（11）：7-17.
	LI Bin， ZHANG Chenyang， TAO Weiwei. Research progress of pharmaceutical wastewater treatment technology［J］. Industrial Water Treatment，2022，42（11）：7-17.
4	鲍慧敏，李懂懂. 适用于高浓度煤化工废水预处理的新型絮凝剂研究［J］. 水处理技术，2023，49（9）：81-85.
	BAO Huimin， LI Dongdong. Study on new flocculant for pretreatment of high concentration coal chemical wastewater［J］. Technology of Water Treatment，2023，49（9）：81-85.
5	燕翔，吴生平，王都留，等. 畜禽养殖业废水危害及处理技术研究进展［J］. 黑龙江畜牧兽医，2021（15）：36-39.
	YAN Xiang， WU Shengping， WANG Duliu，et al. Research progress of wastewater hazard and treatment technology of livestock and poultry breeding industry［J］. Heilongjiang Animal Science and Veterinary Medicine，2021（15）：36-39.
6	ZHANG Yanzhuo， HE Rui， ZHAO Jing. Removal mechanism of tetracycline-Cr（Ⅵ） combined pollutants by different S-doped sludge biochars：Role of environmentally persistent free radicals［J］. Chemosphere，2023，317：137856. doi:10.1016/j.chemosphere.2023.137856
7	MA Lin， YANG Lingli， ZHANG Yi，et al. The occurrence characteristics and underlying removal mechanism of combined copper and sulfamethoxazole pollution in constructed wetlands［J］. Chemical Engineering Journal，2023，466：143022.
8	漆世英，余少乐，吴娟，等. 养殖业抗生素-重金属复合污染治理研究进展［J］. 中国生态农业学报，2022，30（6）：1014-1026.
	QI Shiying， YU Shaole， WU Juan，et al. Advance in treatment of co-contamination of antibiotics and heavy metals from stock breeding［J］. Chinese Journal of Eco-Agriculture，2022，30（6）：1014-1026.
9	杨立成，王春，邱燕. 吸附法处理有机物：金属复合污染体系的研究进展［J］. 中国资源综合利用，2008，26（2）：29-31.
	YANG Licheng， WANG Chun， QIU Yan. Advance in treatment of combined pollution of heavy metals and organics by adsorption［J］. China Resources Comprehensive Utilization，2008，26（2）：29-31.
10	XU Zisong， HUANG Wenyu， WANG Shuangfei，et al. Co-adsorption characteristics of antibiotics with different functional groups and cadmium combined contamination on activated carbon［J］. Journal of Environmental Chemical Engineering，2023，11（3）：110070.
11	ZANG Shuyan， ZHANG Rui， Meiheng LÜ，et al. Adsorption technology and mechanism of roxarsone and arsenic（Ⅴ） combined pollution in wastewater by modified plant ash biochar［J］. Russian Journal of Physical Chemistry A，2023，97（1）：248-256.
12	ZHANG Runyuan， ZHENG Xiaoxian， CHEN Bohan，et al. Enhanced adsorption of sulfamethoxazole from aqueous solution by Fe-impregnated graphited biochar［J］. Journal of Cleaner Production，2020，256：120662.
13	JIN Xiaoying， ZHA Shuangxing， LI Shibin，et al. Simultaneous removal of mixed contaminants by organoclays：Amoxicillin and Cu（Ⅱ） from aqueous solution［J］. Applied Clay Science，2014，102：196-201.
14	LING Chen， ZHAO Yixuan， REN Zixi，et al. Synergistic co-removal of zinc（Ⅱ） and cefazolin by a Fe/amine-modified chitosan composite［J］. Chinese Chemical Letters，2019，30（12）：2196-2200.
15	DONG Shunan， SUN Yuanyuan， WU Jichun，et al. Graphene oxide as filter media to remove levofloxacin and lead from aqueous solution［J］. Chemosphere，2016，150：759-764.
16	YANG Shanshan， HUANG Zhiyan， LI Chunquan，et al. Individual and simultaneous adsorption of tetracycline and cadmium by dodecyl dimethyl betaine modified vermiculite［J］. Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2020，602：125171.
17	OLORUNNISOLA D， OLORUNNISOLA C G， OTITOJU O B，et al. Cellulose-based adsorbents for solid phase extraction and recovery of pharmaceutical residues from water［J］. Carbohydrate Polymers，2023，318：121097.
18	高春丽，周涵君，李先振，等. 吸附剂在重金属污染废水修复中的研究进展［J］. 工业水处理，2023，43（9）：1-19.
	GAO Chunli， ZHOU Hanjun， LI Xianzhen，et al. Research progress of adsorbents in the remediation of heavy metal contaminated wastewater［J］. Industrial Water Treatment，2023，43（9）：1-19.
19	霍丹，张希鹏，孙悦凯，等. 纳米纤维素吸附材料的制备及在工业废水处理中的应用［J］. 中国造纸，2021，40（11）：90-97.
	HUO Dan， ZHANG Xipeng， SUN Yuekai，et al. Research progress on the preparation and application of nanocellulose adsorbent in industrial wastewater treatment［J］. China Pulp & Paper，2021，40（11）：90-97.
20	罗业燊，谢炎坤，郭玉玥. 纤维素吸附剂相关进展［J］. 高分子通报，2017（8）：67-71.
	LUO Yeshen， XIE Yankun， GUO Yuyue. Progress in cellulose adsorbent［J］. Polymer Bulletin，2017（8）：67-71.
21	李雨宸，陈正浩，潘远风，等. 巯基改性纤维素的制备及其对亚甲基蓝的吸附研究［J］. 纤维素科学与技术，2020，28（1）：34-41.
	LI Yuchen， CHEN Zhenghao， PAN Yuanfeng，et al. Preparation of thiol-modified cellulose and adsorption for methylene blue［J］. Journal of Cellulose Science and Technology，2020，28（1）：34-41.
22	ZHENG Liuchun， YANG Yuebei， MENG Peipei，et al. Absorption of cadmium（Ⅱ） via sulfur-chelating based cellulose：Characterization，isotherm models and their error analysis［J］. Carbohydrate Polymers，2019，209：38-50.
23	DONG Qigong， ZHANG Junping， LI Yarong，et al. Synthesis and adsorption properties of new type chelating cellulose resins containing sulfur and nitrogen［J］. Chemical Journal of Chinese Universities，2003，24（4）：719-723.
24	CHEN Quan， ZHENG Jiewei， ZHENG Liuchun，et al. Classical theory and electron-scale view of exceptional Cd（Ⅱ） adsorption onto mesoporous cellulose biochar via experimental analysis coupled with DFT calculations［J］. Chemical Engineering Journal，2018，350：1000-1009. doi:10.1016/j.cej.2018.06.054
25	WANG Qingxiang， WANG Dong， CHENG Wanli，et al. Spider-web-inspired membrane reinforced with sulfhydryl-functionalized cellulose nanocrystals for oil/water separation［J］. Carbohydrate Polymers，2022，282：119049.
26	VELEMPINI T， PILLAY K， MBIANDA X Y，et al. Carboxymethyl cellulose thiol-imprinted polymers：Synthesis，characterization and selective Hg（Ⅱ） adsorption［J］. Journal of Environmental Sciences，2019，79：280-296.
27	RONG Liduo， ZHU Zumei， WANG Bijia，et al. Facile fabrication of thiol-modified cellulose sponges for adsorption of Hg²⁺ from aqueous solutions［J］. Cellulose，2018，25（5）：3025-3035.
28	PEARSON R G. Hard and soft acids and bases，HSAB，part 1：Fundamental principles［J］. Journal of Chemical Education，1968，45（9）：581.
29	RÉOCREUX R， HUYNH M， MICHEL C，et al. Controlling the adsorption of aromatic compounds on Pt（111） with oxygenate substituents：From DFT to simple molecular descriptors［J］. The Journal of Physical Chemistry Letters，2016，7（11）：2074-2079.
30	XIONG Weiping， ZENG Zhuotong， ZENG Guangming，et al. Metal-organic frameworks derived magnetic carbon-α Fe/Fe₃C composites as a highly effective adsorbent for tetracycline removal from aqueous solution［J］. Chemical Engineering Journal，2019，374：91-99.
31	XIANG Wei， WAN Yongshan， ZHANG Xueyang，et al. Adsorption of tetracycline hydrochloride onto ball-milled biochar：Governing factors and mechanisms［J］. Chemosphere，2020，255：127057.
32	BURKS T， AVILA M， AKHTAR F，et al. Studies on the adsorption of chromium（Ⅵ） onto 3-mercaptopropionic acid coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles［J］. Journal of Colloid and Interface Science，2014，425：36-43.
33	ZHANG Xiaohong， ZHANG Zhicheng， DENG Zhaohui，et al. Precision grinding of silicon nitride ceramic with laser macro-structured diamond wheels［J］. Optics & Laser Technology，2019，109：418-428.
34	VELEMPINI T， PILLAY K. Sulphur functionalized materials for Hg（Ⅱ） adsorption：A review［J］. Journal of Environmental Chemical Engineering，2019，7（5）：103350.
35	KABIRI S， TRAN D N H， COLE M A，et al. Functionalized three-dimensional（3D） graphene composite for high efficiency removal of mercury［J］. Environmental Science：Water Research & Technology，2016，2（2）：390-402.
36	LI Meifang， LIU Yunguo， LIU Shaobo，et al. Performance of magnetic graphene oxide/diethylenetriaminepentaacetic acid nanocomposite for the tetracycline and ciprofloxacin adsorption in single and binary systems［J］. Journal of Colloid and Interface Science，2018，521：150-159.
37	YAN Xin， GE Huacai. Preparation of metal organic frameworks modified chitosan composite with high capacity for Hg（Ⅱ） adsorption［J］. International Journal of Biological Macromolecules，2023，232：123329.

体系	吸附质	Langmuir模型			Freundlich模型
体系	吸附质	q _m/ （mg·g^-1）	K _L/ （L·mg^-1）	R²	n	K _F	R²
单一体系	TC	88.36	0.021	0.998	2.81	19.88	0.946
单一体系	Hg（Ⅱ）	247.38	0.088	0.994	2.83	34.10	0.886
共存体系	TC	61.77	0.015	0.995	1.47	5.11	0.911
共存体系	Hg（Ⅱ）	163.66	0.092	0.997	1.87	22.0	0.945

体系	吸附质	Langmuir模型			Freundlich模型
体系	吸附质	q _m/ （mg·g^-1）	K _L/ （L·mg^-1）	R²	n	K _F	R²
单一体系	TC	88.36	0.021	0.998	2.81	19.88	0.946
单一体系	Hg（Ⅱ）	247.38	0.088	0.994	2.83	34.10	0.886
共存体系	TC	61.77	0.015	0.995	1.47	5.11	0.911
共存体系	Hg（Ⅱ）	163.66	0.092	0.997	1.87	22.0	0.945

吸附质	T/K	单一体系			共存体系
吸附质	T/K	ΔG/（kJ·mol^-1）	ΔH/（kJ·mol^-1）	ΔS/（J·mol^-1·K^-1）	ΔG/（kJ·mol^-1）	ΔH/（kJ·mol^-1）	ΔS/（J·mol^-1·K^-1）
TC	298	-4.85	-18.09	-10.25	-2.70	-31.73	-12.16
	308	-4.67			-2.39
	318	-4.49			-2.07
Hg（Ⅱ）	298	-9.44	-144.60	-52.55	-5.23	-77.35	-24.65
	308	-7.98			-2.68
	318	-6.55			-0.13

吸附质	T/K	单一体系			共存体系
吸附质	T/K	ΔG/（kJ·mol^-1）	ΔH/（kJ·mol^-1）	ΔS/（J·mol^-1·K^-1）	ΔG/（kJ·mol^-1）	ΔH/（kJ·mol^-1）	ΔS/（J·mol^-1·K^-1）
TC	298	-4.85	-18.09	-10.25	-2.70	-31.73	-12.16
	308	-4.67			-2.39
	318	-4.49			-2.07
Hg（Ⅱ）	298	-9.44	-144.60	-52.55	-5.23	-77.35	-24.65
	308	-7.98			-2.68
	318	-6.55			-0.13

吸附系统	吸附质	准一级反应动力学模型			准二级反应动力学模型
吸附系统	吸附质	k ₁/min^-1	q _e/（mg·g^-1）	R ²	k ₂/（g·mg^-1·min^-1）	q _e/（mg·g^-1）	R ²
单一体系	TC	3.14×10^-4	95.45	0.951	0.027	78.77	0.996
单一体系	Hg（Ⅱ）	1.92×10^-4	257.45	0.960	0.038	223.61	0.993
共存体系	TC	5.0×10^-4	64.11	0.956	0.029	52.73	0.991
共存体系	Hg（Ⅱ）	3.70×10^-4	169.31	0.970	0.047	149.13	0.992

Please choose a citation manager

Content to export