首頁(yè) >> 公司動(dòng)態(tài) >> 突破復(fù)合污染治理難題！國(guó)儀SEM+EPR助力無(wú)定形銅機(jī)制解析研究
在環(huán)境污染治理領(lǐng)域,，重金屬與抗生素的聯(lián)合污染問題對(duì)人類健康及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成日益嚴(yán)重的威脅。對(duì)此,，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院和中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開展了深入探索,。該團(tuán)隊(duì)聚焦于制備基于生物炭的復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)利用聯(lián)合污染中重金屬對(duì)材料自身進(jìn)行原位改性,，進(jìn)而同步去除重金屬（Cu2?,、Cd2?、Pb2?）與左氧氟沙星（LEV）等污染物的目標(biāo),。
近日,，這一研究成果以 “In-situ material synthesis technology achieves efficient removal of heavy metal and levofloxacin combined pollution: The key role of amorphous copper species"（原位材料合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效去除重金屬和左氧氟沙星聯(lián)合污染：無(wú)定形銅種類的關(guān)鍵作用）為題，發(fā)表在《Separation and Purification Technology》期刊上,，詳細(xì)闡述了該研究在復(fù)合污染治理方面的創(chuàng)新性突破與重要發(fā)現(xiàn),。
國(guó)產(chǎn)SEM+EPR,，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合
依托國(guó)儀量子SEM5000場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,、EPR200-Plus電子順磁共振波譜儀等核心設(shè)備，研究團(tuán)隊(duì)深入探索并發(fā)現(xiàn),，引入過硫酸鹽對(duì)于聯(lián)合污染中的有機(jī)污染物徹底去除具有至關(guān)重要的作用,。研究采用一步法成功開發(fā)并制備凹凸棒石/堿木質(zhì)素生物炭復(fù)合材料（ATP/AL），實(shí)現(xiàn)重金屬（Cu2?,、Cd2?,、Pb2?）與左氧氟沙星（LEV）的同步高效去除。本研究提出的利用聯(lián)合污染中重金屬進(jìn)行原位材料改性,，從而實(shí)現(xiàn)污染物同步去除的新策略具有廣闊的應(yīng)用前景,。
研究背景與目的
盡管工業(yè)發(fā)展顯著提升了人們的生活水平,，但同時(shí)也不可避免地帶來(lái)了重金屬（如Cu2?,、Pb2?）排放問題。同時(shí),，抗生素（如LEV）作為治療疾病的重要手段被大量使用,，其由此引發(fā)的污染問題也日益嚴(yán)重。由于重金屬與抗生素兩類污染物的聯(lián)合作用,，聯(lián)合污染問題正日益威脅人類健康及生態(tài)環(huán)境,。已有研究表明，聯(lián)合污染中存在的重金屬可能通過絡(luò)合作用或離子橋效應(yīng),，對(duì)抗生素的去除產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用,。這些發(fā)現(xiàn)促使人們思考如何利用聯(lián)合污染中存在的重金屬，以實(shí)現(xiàn)對(duì)抗生素更徹底的去除。
因此,，本研究提出了一種初步概念：制備一種基于生物炭的復(fù)合材料,，該材料不僅具備卓越的吸附性能，還能在聯(lián)合污染體系中利用重金屬對(duì)材料自身進(jìn)行原位改性,，加強(qiáng)對(duì)有機(jī)污染物的催化降解,，從而實(shí)現(xiàn)污染物的同步去除。
研究材料與方法
凹凸棒石（ATP）是一種天然纖維狀硅酸鹽黏土礦物,，可通過離子交換和表面絡(luò)合吸附重金屬離子,。堿木質(zhì)素（AL）是一種造紙工業(yè)副產(chǎn)物，經(jīng)堿性提取后保留大量芳香環(huán),、酚羥基,、羧基等活性基團(tuán)，能夠通過π-π相互作用,、氫鍵和靜電作用捕獲抗生素（如LEV）,，同時(shí)為金屬催化位點(diǎn)提供負(fù)載基底。研究團(tuán)隊(duì)使用凹凸棒石,、堿木質(zhì)素與K?CO?采用一步法制備ATP/AL,，通過國(guó)儀量子SEM5000掃描電鏡（分辨率0.8 nm@15 kV）觀察材料形貌，可見片層-針狀交織結(jié)構(gòu)（圖1a）,，與K?CO?摻雜生成納米級(jí)孔隙,，可以顯著提升重金屬捕獲能力（Pb2?吸附量492.80 mg/g）。
圖1 國(guó)儀量子SEM5000揭示（a）ATP/AL原始形貌
同時(shí)Cu2?在ATP/AL表面形成無(wú)定形Cu?(OH)?CO?納米顆粒 ,，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)大幅加速電子轉(zhuǎn)移。
SEM分析
SEM5000場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡可與能譜分析（EDS）進(jìn)行聯(lián)用,，實(shí)時(shí)捕捉反應(yīng)前后材料表面形貌與元素分布（圖2 ） ,，其中圖2（a）-（c）分別顯示了Cu、Cd,、Pb與LEV在ATP/AL上的吸附位點(diǎn)；而圖2（d）-（h）則分別為Cu+LEV吸附在ATP/AL上的EDS圖像以及C,、O,、Cu、F元素在ATP/AL表面的分布,。
圖2 SEM-EDS聯(lián)用顯示重金屬元素和抗生素（LEV）吸附在ATP/AL上的分布情況
EPR分析
研究團(tuán)隊(duì)通過國(guó)儀量子EPR200-Plus波譜儀（靈敏度1011 spins/G·√Hz）精準(zhǔn)檢測(cè)到·OH與1O?自由基信號(hào),，證實(shí)無(wú)定形銅激活過硫酸鹽（PDS）的協(xié)同催化機(jī)制。國(guó)儀量子EPR200-Plus電子順磁共振波譜儀可以支持自旋捕獲實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確認(rèn)左氧氟沙星（LEV）的降解機(jī)理,。由圖3（a）-（c）可知,，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，DMPO-?OH和DMPO-SO???的信號(hào)逐漸增強(qiáng),，而TEMP捕獲到的1O?信號(hào)也逐漸增強(qiáng),，結(jié)合自由基猝滅實(shí)驗(yàn) （圖4），綜合證明?OH和1O?為L(zhǎng)EV降解過程中的主要活性物種,。
圖3 國(guó)儀量子EPR200-Plus檢測(cè)·OH與1O?信號(hào)
圖4 自由基猝滅劑實(shí)驗(yàn)
水體應(yīng)用測(cè)試
為評(píng)估ATP/AL在Cu+LEV體系中對(duì)實(shí)際水體中污染物的去除效果,，采用來(lái)自長(zhǎng)沙市某地區(qū)的井水（地下水）,、湖水（地表水）和自來(lái)水制備污染溶液。圖4顯示,，在 [LEV] = 30 mg/L, [Cu2+] = 150 mg/L, [PDS] = 5 mmol/L, [ATP/AL] = 0.5 g/L, 溫度 = 25℃的條件下,，實(shí)際水體中LEV的去除效率略有下降，分別為地下水80.74%,、地表水79.83%和自來(lái)水83.37%,，這可能是由于無(wú)機(jī)陰離子和有機(jī)污染物對(duì)活性物種的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)所致；而Cu2?的去除效果基本不受影響,，在部分水樣中甚至有所提高,。結(jié)果表明，ATP/AL在處理實(shí)際水體中的聯(lián)合污染方面表現(xiàn)優(yōu)異,，具有良好的應(yīng)用前景,。
圖4 （a）和（b）分別為L(zhǎng)EV和Cu2?在實(shí)際水體中被ATP/AL的去除效率
總結(jié)與展望
綜上所述,，本研究采用一步法制備了ATP/AL復(fù)合材料,，用于同步去除由重金屬（Cu2?、Cd2?,、Pb2?）與左氧氟沙星（LEV）引起的聯(lián)合污染,。在初始濃度為250 mg/L條件下，ATP/AL對(duì)Cu2?,、Cd2?和Pb2?的吸附容量分別達(dá)229.90,、472.30和492.80 mg/g。在降解過程中,， Cu2?在ATP/AL表面形成無(wú)定形沉淀,，作為電子供體生成Cu3?，從而有效促進(jìn)了PDS的分解,，使LEV在5分鐘內(nèi)的去除率高達(dá)94.92%,。
對(duì)三種聯(lián)合體系中重金屬去除機(jī)理的分析表明，沉淀吸附、含氧官能團(tuán)的絡(luò)合以及橋聯(lián)作用是主要機(jī)理,；猝滅實(shí)驗(yàn)和EPR結(jié)果顯示,，?OH和1O?為降解過程中的主要活性物種；DFT計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明,，Cu2?的絡(luò)合作用降低了LEV的穩(wěn)定性并暴露其親核位點(diǎn),，從而在分子層面促進(jìn)了降解。ATP/AL在實(shí)際水樣中的優(yōu)異表現(xiàn)證明了該原位改性方法不僅可降低材料制備成本,，而且符合實(shí)際污染處理需求,。預(yù)計(jì)這種利用單一污染物促進(jìn)另一污染物去除的策略將在未來(lái)得到進(jìn)一步優(yōu)化。
掃碼留言,，了解高性能電鏡
(空格分隔,最多3個(gè),單個(gè)標(biāo)簽最多10個(gè)字符)
會(huì)員.png)
6
立即詢價(jià)
您提交后,，專屬客服將第一時(shí)間為您服務(wù)