壳聚糖-金属离子的可控组装及其对水中痕量β-二酮类抗生素的选择性消除

Trace levels of antibiotics in treated wastewater effluents may present a human health risk due to the rise of antibacterial activity in the downstream environments. Although several processes have been applied to degrade antibiotics residues in the environments, the majority of these technologies have shown nonselective effectiveness for a number of antibiotics tested. In order to improve the selectivity of antibiotics removal, this study is aim to investigate the elimination of antibiotics containing beta-diketone structure in aqueous solution by selectively adsorption onto phthalocyanine@metal-chitosan coordination polymers with hydrogen peroxide regeneration of the saturated polymers. A particular focus is placed on the development of selective adsorption via the strong interaction between metal-chitosan coordination polymers with beta-diketone antibiotics. The second phase of this study is to evaluate the oxidation process for the regeneration of the saturated polymers and the reusability of the regenerated polymers. In this way, the selective adsorption and subsequent oxidation will present a promising and efficient process for the removal of antibiotics as an emerging contaminant from polluted water.

目前，环境水体中的抗生素微污染已对生态环境和人类健康造成了日益严峻的威胁。然而抗生素类污染物在水中的浓度非常低，给常规水处理技术带来了新的挑战。基于抗生素的低剂量，发展具有选择性消除功能的富集-降解联用技术是一条有效途径。因此，本项目拟以β-二酮类抗生素为模型污染物，通过壳聚糖-金属离子的可控组装以及催化活性组分的修饰，研制一类由壳聚糖金属络合物-酞菁/过氧化氢组成的选择性富集-催化降解体系。重点利用壳聚糖金属络合物与β-二酮类抗生素之间较强的配位作用实现抗生素的选择性吸附富集，并在此基础上由酞菁催化过氧化氢降解富集后的抗生素，完成壳聚糖金属络合物吸附饱和后的再生。同时，本项目还将深入解析壳聚糖金属络合物与抗生素之间的相互作用方式，以揭示β-二酮类抗生素的选择性消除机制，为高效消除水中痕量抗生素污染开拓新的思路。

环境中抗生素污染物因频繁输入而呈现出一种“持久性”的现象，所带来的一系列环境污染和生态安全问题已引起广泛关注。但是，抗生素类污染物在水中的浓度非常低，给常规水处理技术带来了新的挑战。.针对水体中抗生素的痕量污染问题，本研究利用壳聚糖金属络合物与四环素类抗生素之间较强的配位作用，筛选获得了一类对痕量四环素类抗生素具有较好选择性吸附的壳聚糖-锌络合物吸附材料，并评估及优化了选择性、吸附容量、吸附速率等吸附性能。研究表明，此类吸附材料对初始浓度为5×10-7~5×10-6之间的四环素具有较好的选择性富集作用，最大吸附容量为7.785 mg/g，受水体常见共存离子（Cl-、SO42-、HCO3-，浓度50 ~ 100 mg/L）及官能团相似的小分子有机物（乙酸、油酸、水杨酸、酒石酸，浓度50 ~ 100 mg/L）影响较小。壳聚糖金属络合物制备过程中，选用的中心离子种类与壳聚糖的结合能力直接影响吸附材料吸附位点的数量，所用金属盐的配离子种类则对金属离子与壳聚糖的结合起到关键作用。研究表明，硫酸根离子具有较大的离子半径，作为壳聚糖金属络合物的配离子能够有效削弱水体中常见阴离子因离子交换作用造成的负面影响。此外，硫酸根离子作为配离子还能够促进金属离子与壳聚糖的结合及起到交联作用，提高壳聚糖吸附剂的稳定性能。.为提高吸附材料的分离回用性能，本研究选用了壳聚糖无纺布作为吸附材料基质，设计了一类套筒结构的无纺布吸附装置并尝试与辉光放电等离子体技术结合，以实现污染物的“选择性富集-催化降解”。此外，在筛选壳聚糖-金属络合物选择性吸附剂的同时，本研究还发现壳聚糖-钙系列吸附材料能够高效吸附水体中的氟离子污染物，对壳聚糖-金属络合物吸附材料的功能做了一定的拓展。以上一系列壳聚糖-金属络合物吸附材料的开发及相应的无纺布高效吸附装置的设计有望为高效消除水中痕量抗生素污染及其他类型的污染物开拓新的思路。