聚吡咯负载火山岩去除饮用水中典型PPCPs的特性和机理研究

Recently, Pharmaceutical and Personal Care Products (PPCPs) are frequently detected from drinking water. The persistent, bioaccumulative and long-term harmful properties make PPCPs a great threat to human health. High cost, low environmental adaptability, limited adsorption ability, and poor desorption-regeneration performance are the shortcomings of adsorption methods in the treatment of PPCPs from drinking water. This study aims to prepare polypyrrole/volcanics (PPy/VCN) composite to remove typical PPCPs (sulfamethoxazole, diclofenac and atenolol). The electroconductibility and adsorptivity of PPy/VCN can greatly increase effective adsorption sites and consequently improve the adsorption efficiency of PPCPs. Moreover, adsorption, desorption and regeneration processes can be enhanced by introducing electric field. Influencing mechanism of physicochemical property of volcanics on the formation of electroconductive film, synergistic effect between PPy and VCN, and the selection of doping ion and reaction conditions will be investigated by using varieties of characterization methods. The analysis of adsorption property and mechanism on typical PPCPs removal will be discussed in details. This study will contribute to the development of conducting polymer doping adsorbents and their application and optimization in the field of advanced treatment of drinking water.

近年来，药品和个人护理品（PPCPs）在饮用水中被频繁检出，由于其具有难降解性、生物累积性和长期危害性，已成为威胁人体健康的巨大隐患。本研究拟针对吸附法处理饮用水中PPCPs时面临的吸附剂成本昂贵、环境适应性差、吸附效率低、脱附再生能力差等实际问题，以饮用水中存在的典型PPCPs（磺胺甲恶唑、双氯芬酸、阿替洛尔）为研究对象，利用吡咯单体在火山岩表面聚合形成聚吡咯导电薄膜，制备聚吡咯负载火山岩复合材料。复合材料兼具电化学特性和吸附特性，不仅可大幅增加有效吸附位点，提高吸附效率，还可通过电场作用强化吸附、脱附与再生过程。研究将结合多种微观表征手段，研究火山岩理化性质对导电薄膜形成的影响机制、火山岩与聚吡咯的协同效应及掺杂离子和反应条件的选择机制，分析复合材料吸附去除饮用水中典型PPCPs的特性和机理，从而为导电聚合物负载型吸附剂的开发及在饮用水深度处理方面的实际应用和优化运行提供理论参考。

近年来，药品及个人护理品(PPCPs)在世界范围内各类水体中频繁检出，对人类和动植物健康造成严重威胁。吸附法以吸附量高、吸附剂可再生等独特优势成为去除水中PPCPs最具应用潜力的方法。但现存吸附剂存在成本昂贵、可再生性差等问题，亟需开发一种经济高效的吸附剂。本研究利用聚吡咯对成本低廉的天然火山灰进行改性，开发出一种新型的导电聚合物负载型吸附剂，对饮用水中的典型PPCPs进行吸附去除研究。.本研究选取两种典型的PPCPs，双氯芬酸(DCF)和磺胺甲恶唑（SMX）目标物质，首先对天然火山灰选优，然后用化学法制备聚吡咯负载火山灰复合吸附剂(PPy/VA)，并利用Minitab软件中单纯质心混料分析法拟合出最佳配比。实验分别探讨了天然火山灰和PPy/VA去除DCF、SMX的特性，并结合多种材料表征手段（孔径和比表面积分析BET、X射线衍射XRD、扫描电镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析FTIR等）分析去除典型PPCPs的机理，并且进行了脱附再生和实际应用研究。.研究结果表明，以DCF为去除对象，制备PPy/VA最佳配比为天然火山灰：吡咯：无水FeCl3为0.26：0.10：0.64，以SMX为去除对象，最佳配比为0.10:0.26:0.64，低温烘干制得的PPy/VA吸附性能更好。天然火山灰和PPy/VA均为介孔材料，前者表面光滑，主要晶体结构为白云石(CaMg(CO3)2)；后者表面疏松，主要物质组成为石英(SiO2)。天然火山灰去除DCF和SMX的最佳溶液pH为2；PPy/VA在溶液pH为3~10时，对DCF的去除率保持在95%左右，而SMX的最佳pH为5~10。天然火山灰和PPy/VA吸附DCF的反应都为放热反应，改性后对DCF理论最大吸附量提高了117倍。另外，两者去除DCF的过程均很好地符合伪二级动力学模型。天然火山灰对DCF和SMX均具有良好离子选择性。电场强化作用可促进SMX的去除效果。相比于NaOH溶液，用HCl溶液脱附PPy/VA脱附率较低但再生效果较好(95%)。天然火山灰对典型PPCPs的吸附机理主要是静电作用和氢氧间作用力，而PPy/VA对其去除机理主要是静电作用，硬脂酸盐成盐作用，另外还可能存在偶极-偶极的分子间作用力，氢键作用和π-π相互作用。.综上所示，PPy/VA具有良好的吸附性能，在饮用水中典型PPCPs的吸附去除方面具有广阔的应用前景。