石墨烯@类水滑石对水中抗生素/Cr(VI)复合污染物的协同去除机制研究

Based on current issue of combined pollution of antibiotics and heavy metal, this proposal intends to synthesize a series of graphene@layered double hydroxides (LDHs) composites to effectively remove the combined pollutants from water. The preliminary exploration by the applicant found that the graphene@LDHs composites could efficiently adsorb organic pollutants and Cr(VI), and the presence of Cr(VI) promotes significantly the photocatalytic degradation of organic pollutants under visible light. The proposal, combining the experiment of adsorption, photocatalysis, cyclic regeneration and the technology of spectroscopy, focuses on the study of the competitive adsorption behavior of antibiotic/Cr(VI), the simultaneous removal mechanism under visible light, interfacial reaction feature and the recycling performance of the composites, the aim of which is to find the suitable and reusable catalyst for treatment of antibiotic/Cr(VI) combined pollutants and reveal the underlying removal mechanism. The research findings would further our understanding of the interfacial reaction feature between combined pollutants and minerals under sunlight, and provides new theoretic and experimental basis for the control of antibiotic/Cr(VI) combined pollutants in water.

针对目前水体中抗生素/重金属复合污染问题，本项目以水中典型抗生素/Cr(VI)复合污染为研究对象，拟制备一系列的石墨烯@类水滑石材料来高效协同去除复合污染物。申请者前期探索研究中发现，石墨烯与类水滑石复合后能高效吸附有机污染物和Cr(VI)，同时Cr(VI)的存在能有效促进有机物的自然光催化降解。本项目将结合吸附、光催化、再生性实验和现代谱学等手段，重点研究石墨烯@类水滑石材料对水中抗生素/Cr(VI)的竞争吸附特性、自然光下同步去除机制、界面反应特征以及材料循环再生性能，实现自然光下协同去除水中抗生素/Cr(VI)复合污染物和材料循环利用的目标。研究成果将对同步修复抗生素/重金属复合污染具有重要理论意义与实际价值，同时为认识自然光下抗生素/重金属复合污染物的水-矿物微界面反应特征和水体复合污染的调控规律提供新的理论与实验依据。

环境中的抗生素污染往往不是单一存在，生活污水、工业废水和养殖废水排放的交叠，抗生素这种在水体中低浓度、难生物难解，与各种重金属容易汇集一起形成复合污染。在我国养殖业地区是抗生素/重金属复合污染的重灾区。对此，我们已经成功合成一系列基于石墨烯和水滑石的复合材料产品，分析了材料产品的微结构特征，探明了各材料对复合污染物的吸附特性（包括竞争吸附、吸附动力学等）、可见光催化效能、微界面反应特征（表面络合、固定化、协同降解等），Cr(VI)离子的存在对光催化降解典型抗生素的协同作用机制。阐明了材料对单一污染物及复合污染的去除机制和材料结构及其性能的构效关系。针对抗生素/Cr(VI)协同去除问题，我们利用LC-MSMS和XPS技术深度分析了抗生素的降解路径及Cr(VI)的脱毒产物。针对实际的养殖废水、生活污水、地表水的新兴污染物、重金属污染特问题，我们首次提出了利用原位形成水滑石混凝法对废水进行深度处理和污泥资源化回收利用，同时也结合了膜处理技术、人工湿地技术对水体中抗生素等新兴污染物进行深度处理研究。我们还把石墨烯的改性方法移植到改性廉价的纤维素，并分析其对水中重金属的吸附行为研究。另外，针对石墨烯/水滑石制备成本高、工艺复杂等问题，我们首次提出了“机械力化学法+水热法”两步合成方法，成功合成出结晶度较高石墨烯微片/水滑石复合材料，而且生产过程中不产生废水废气废渣等，符合清洁生产概念。目前课题已经圆满完成，在相关领域，共以项目负责人第一作者/通讯作者在Journal of Cleaner Production、 Journal of Environmental Management、Chemosphere、 Carbohydrate Polymers等期刊上发表SCI论文10篇，其中一区2篇，二区6篇。另外第一作者/通讯作者发表中文核心期刊3篇，3篇SCI论文正在投稿，以第一发明人申报国家发明专利9项。另外，以副主编身份出版学术专著两部（科学出版社），以其他作者身份发表SCI论文3篇。