P掺杂煤沥青基多孔炭的制备及对废水中广谱抗生素的吸附性能

doi:10.7503/cjcu20230481

摘要/Abstract

摘要：

以煤沥青为碳源, 一水合次亚磷酸钠为磷源, 氧化镁为模板耦合KOH活化, 采用一步法制备了多孔炭(CPC _x ); 并采用扫描电子显微镜、氮气吸附-脱附仪、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱等对炭材料进行了表征, 考察了CPC _x 对土霉素和氯霉素的吸附性能. 结果表明, 当煤沥青与磷源的质量比为2∶1时, 制得的CPC_2.0总比表面积和微孔比表面积分别为2739和2353 m²/g, 平均孔径为3.78 nm; 苯基吸收峰有所加深, 出现新的P—O伸缩振动峰; 碳材料表面的磷及磷构型中最稳定的C₃—P=O官能团含量分别达0.45%和37.7%(摩尔分数); Langmuir模型和拟二级动力学模型能更好地描述CPC_2.0对抗生素的吸附过程, CPC_2.0对土霉素和氯霉素的最大吸附容量分别为1780和1122 mg/g, 表现出优异的吸附性能.

关键词: 多孔炭, 吸附, 磷掺杂, 抗生素

Abstract:

P-doped porous carbon（CPC _x ） was prepared by one-step method with coal tar pitch as carbon， sodium hypophosphite monohydrate as phosphorus sources and MgO as template coupled with KOH activation. CPC _x were characterized by SEM， BET， FTIR， XPS， and the adsorption properties of porous carbon for oxytetracycline and chloramphenicol were investigated. When the mass ratio of coal tar pitch to phosphorus source is 2∶1， the BET results show that the total specific surface area and the microporous specific surface area of as-made CPC_2.0 are 2739 and 2353 m²/g， respectively， and the average pore size is 3.78 nm. The results of FTIR indicate that the phenyl absorption peak for CPC _x is deepened compared to the original carbon， as well as a new stretching vibration peak of P—O is displayed. The XPS results demonstrate that the P content and the most stable C₃—P=O functional group content of phosphorus configuration on the surface of carbon materials are 0.45% and 37.7%（molar fraction）. The adsorption process of antibiotics by CPC_2.0 can be better described by Langmuir model and pseudo second-order kinetic model， and the maximum adsorption capacities of CPC_2.0 for oxytetracycline and chloramphenicol are 1780 and 1122 mg/g， respectively， showing better adsorption performance.

Key words: Porous carbon, Adsorption, Phosphorus doping, Antibiotic

中图分类号:

O647.3

TrendMD:

余谟鑫, 史文旭, 孙宇航, 张晨, 王晓婷. P掺杂煤沥青基多孔炭的制备及对废水中广谱抗生素的吸附性能. 高等学校化学学报, 2024, 45(4): 20230481.

YU Moxin, SHI Wenxu, SUN Yuhang, ZHANG Chen, WANG Xiaoting. Preparation of P-doped Coal Pitch-based Porous Carbon and Its Adsorption Performance for Broad-spectrum Antibiotics in Wastewater. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(4): 20230481.

图/表 17

参考文献 55

1	Yin Z. Z.， Environ. Sci.： Process Impacts， 2021， 23（8）， 1088—1100
2	Gunathilaka M. D. K. L.， Bao S. Y.， Liu X. X.， Li Y.， Pan Y.， Environ. Sci. Technol.， 2023， 57（3）， 1199—1213
3	Katiyar R.， Chen C. W.， Singhania R. R.， Tsai M. L.， Saratale G. D.， Pandey A.， Dong C. D.， Patel A. K.， Bioengineered， 2022， 13（6）， 14730—14748
4	Zhang L.， Bai J. H.， Zhang K. G.， Wang Y. Q.， Xiao R.， Campos M.， Acuña J.， Jorquera M. A.， Sci. Total Environ.， 2023， 857， 159260
5	Hanna N.， Tamhankar A. J.， Lundborg C. S.， Sci. Total Environ.， 2023， 880， 163301
6	Zhao K.， Wang Q.， Qian S. F.， Li F. X.， Sci. Rep.， 2023， 13（1）， 4202
7	Huang A. R.， Yan M. T.， Lin J. J.， Xu L. J.， Gong H.， Gong H.， Int. J. Environ. Res. Public Health， 2021， 18（9）， 4909
8	Zhu T. T.， Su Z. X.， Lai W. X.， Zhang W. B.， Liu Y. W.， Sci. Total Environ.， 2021， 776， 145906
9	Wang X. Y.， Li F. X.， Hu X. M.， Hua T.， Sci. Total Environ.， 2021， 784， 146912
10	Zhao M. X.， Meng Z.， Li H. P.， Ma Z. Q.， Zhan H. J.， Liu W. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（11）， 2479—2487
	赵孟欣，孟哲，李和平，马宗琴，詹海鹃，刘万毅. 高等学校化学学报， 2020， 41（11）， 2479—2487
11	Mangla D.， Sharma A.， Ikram S.， J. Hazard. Mater.， 2022， 425， 127946
12	Huang K. C.， Yang S. Q.， Liu X. H.， Zhu C.， Qi F. L.， Wang K.， Wang J. Q.， Wang Q. S.， Wang T.， Ma P. Y.， J. Cleaner Prod.， 2023， 391， 136174
13	Wang B.， Mo Q. Y.， Qin B.， Song L.， Li J.， Sheng G. S.， Shi D. Z.， Xu X. Y.， Hou L. A.， Environ. Res.， 2022， 215， 114375
14	Wei F.， Zhang H. F.， He X. J.， Ma H.， Dong S. A.， Xie X. Y.， New Res. Carbon Mater.， 2019， 34（2）， 132—139
15	Wang X.， Wang X. Y.， Zhou X. F.， Yang X. P.， Wu X. Z.， Zhou P. F.， Zhou J.， Zhuo S. P.， J. Energy Storage， 2023， 57， 106221
16	Wang X.， Yang X. L.， Sun J. W.， Guo M. Y.， Cao Z. H.， Ben H. X.， Jiang W.， Ming S. J.， Zhang L. X.， Chem. Commun.， 2023， 59（43）， 6544—6547
17	Yu M. X.， Fan L. W.， Zhang C.， He X. J.， Zheng M. D.， Li Z.， Mater. Rep.， 2015， 29（3）， 40—44， 48
	余谟鑫，范梁威，张晨，何孝军，郑明东，李忠. 材料导报， 2015， 29（3）， 40—44， 48
18	Xiong Y. Z.， Liu Y. Y.， Chen X. H.， Lu B. L.， Huang B.， Lin G. F.， Chem. Ind. & Eng. Pro.（China）， 2022， 41（8）， 4397—4405
	熊永志，刘艳艳，陈晓荭，卢贝丽，黄彪，林冠烽. 化工进展， 2022， 41（8）， 4397—4405
19	Yurtay A.， Kılıç M.， Diamiond Relat. Mater.， 2023， 131， 109603
20	Xing L. A.， Yang F.， Zhong X.， Liu Y.， Lu H.， Guo Z. J.， Lv G. J.， Yang J. B.， Yuan A. H.， Pan J. M.， Sep. Purif. Technol.， 2023， 324， 124470
21	Valentino M.， Imbriano A.， Tricase A.， Pelle F.D.， Compagnone D.， Macchia E.， Torsi L.， Bollella P.， Ditaranto N.， Anal. Methods.， 2023， 15（10）， 1250—1253
22	Xiao Y. L.， Ma C.， Jin Z. Y.， Wang C. Y.， Wang J. L.， Wang H. J.， Mu X. W.， Song L.， Hu Y.， Sep. Purif. Technol.， 2021， 259， 118119
23	Qureshi U. A.， Hameed B. H.， Ahmed M. J.， J. Water Process. Eng.， 2020， 38， 101380
24	Huang X. W.， Yang W. Q.， Zhang G. S.， Yan L.， Zhang Y. C.， Jiang A. H.， Xu H. L.， Zhou M.， Liu Z. J.， Tang H. D.， Dionysios D. D.， Catal. Today， 2021， 361， 11—16
25	Wang B.， Xu X. Y.， Tang H.， Mao Y. L.， Chen H. H.， Ji F. Y.， Appl. Surf. Sci.， 2020， 528， 147048
26	Zhan H. Y.， Wang Y. T.， Mi X. Y.， Zhou Z. R.， Wang P. F.， Zhou Q. X.， Chin. Chem. Lett.， 2020， 31（10）， 2843—2848
27	Zhou H. J.， Jiao G. J.， Li X. Z.， Gao C. L.， Zhang Y. R.， Hashan D.， Liu J.， She D.， Int. J. Biol. Macromol.， 2023， 234， 123689
28	Luo L. C.， Lan Y. L.， Zhang Q. Q.， Deng J. P.， Zeng Q. Z.， Gao H. L.， Du G. B.， Zhao W. G.， J. Energy Storage， 2023， 58， 106339
29	Yan L. H.， Liu A. J.， Ma. R.， Guo C.， Ding X. H.， Feng P. Y.， Jia D. Z.， Xu M. J.， Ai L. L.， Guo N. N.， Wang L. X.， Appl. Surf. Sci.， 2023， 615， 156267
30	Fabrice G.， Runtti H.， Duclaux L.， Ondarts M.， Reinert L.， Outin J.， Gonze E.， Bonnamy S.， Soneda Y.， Micropor. Mesopor. Mater.， 2021， 322， 111147
31	Pereira S. K.， Kini S.， Prabhu B.， Gautham J. P.， Appl. Water Sci.， 2023， 13（1）， 29
32	Khayyun T. S.， Mseer A. H.， Appl. Water Sci.， 2019， 9（8）， 170
33	Yu M. X.， Kuai L.， Wang L.， Zhang C.， Wang X. T.， Chen Q. H.， Chin. J. Mater. Res.， 2021， 35（9）， 667—674
	余谟鑫，蒯乐，王亮，张晨，王晓婷，陈启厚. 材料研究学报， 2021， 35（9）， 667—674
34	Zhang X.， Luo S. W.， Duan J. X.， Lan T.， Wei Y.， Environ. Sci. Pollut. Res.， 2023， 30（49）， 108230—108246
35	Shen J.， Zhu Y. T.， Zhou F. M.， Wang L. Y.， Guo M. L.， Cao Y. J.， ChemElectroChem， 2023， 10（18）， e202300255
36	Bi Z. H.， Huo L.， Kong Q. Q.， Li F.， Chen J. P.， Ahmad A.， Wei X. X.， Xie L. J.， Chen C. M.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11（12）， 11421—11430
37	Chen Q. D.， Tang S.， Feng D.， Xie Y. H.， Wu F.， Xie D. L.， Mei Y.， Zeng T. B.， J. Alloys Compd.， 2023， 968， 172106
38	Xiang Y. J.， Xu Z. Y.， Wei Y. Y.， Zhou Y. Y.， Yang X.， Yang Y.， Yang J.， Zhang J. C.， Luo l.， Zhou Z.， J. Environ. Manage.， 2019， 237， 128—138
39	Ashiq A.， Walpita J.， Vithanage M.， Chemosphere， 2021， 276， 130079
40	Lin H. T.， Qiu S. J.， Wu Z. H.， Ye X. X.， Liu M. H.， J. Cleaner Prod.， 2022， 331， 129885
41	Huang K. C.， Yang S. Q.， Liu X. H.， Zhu C.， Qi F. L.， Wang K.， Wang J. Q.， Wang Q. S.， Wang T.， Ma P. Y.， J. Cleaner Prod.， 2023， 391， 136174
42	Han R.， Zhao M.， Li X. D.， Cui S. H.， Yang J.， Sep. Purif. Technol.， 2022， 302， 121960
43	Li Q.， Zhao S. Y.， Wang Y. H.， Int. J. Environ. Res. Public Health， 2021， 18（24）， 13107
44	Song J. Y.， Lu L.， Wang J.， Li X.， Li J. Y.， Wang Q. W.， Du H. Y.， Xin S. S.， Xu L. N.， Yan Q. H.， Zhou C. Z.， Liu G. C.， Xin Y. J.， Bioresour. Technol.， 2023， 385， 129380
45	Feng Z. M.， Zhai X.， Sun T.， Sep. Purif. Technol.， 2022， 293， 121120
46	Sun Y. Y.， Yue Q. Y.， Gao B. Y.， Li Q.， Huang L. H.， Yao F. J.， Xu X.， J. Colloid Interface Sci.， 2012， 368（1）， 521—527
47	Kan Y. J.， Yue Q. Y.， Li D.， Wu Y. W.， Gao B. Y.， J. Taiwan Inst. Chem. Eng.， 2017， 71，494—500
48	Khan M. N. N.， Yusop M. F. M.， Latiff M. F. P. M.， Ahmad M. A.， Arabian J. Chem.， 2023， 16（11）， 105256
49	Lach J.， Water， 2019， 11（6）， 1141
50	Zhu H.， Qiu J. Q.， Zhou D.， Wang H. Y.， Xu D.， Li H. X.， Res. Chem. Intermed.， 2022， 48（8）， 3613—3631
51	Romdhani M.， Attia A.， Charcosset C.， Mahouche—Chergui S.， Ates A.， Duplay J.， Ben Amar R.， Sustainability， 2023， 15（3）， 2516
52	Zhu X. Z.， Gao Y.， Yue Q. Y.， Kan Y. J.， Kong W. J.， Gao B. Y.， Ecotoxicol. Environ. Saf.， 2017， 145， 289—294
53	Wu Y. W.， Yue Q. Y.， Ren Z. F.， Gao B. Y.， J. Mol. Liq.， 2018， 262，19—28
54	Sun Y. L.， Zhang B.， Zheng T.， Wang P.， Chem. Eng. J.， 2017， 320，264—270
55	Wang G. H.， Yong X. Y.， Luo L. W.， Yan s.， Wong J. W.C.， Zhou J.， Sep. Purif. Technol.， 2022， 296， 121374

Sample	S_BET/（m²·g^‒1）	S_mic/（m²·g^‒1）	V_t/（mL·g^‒1）	V_mic/（mL·g^‒1）	D_ap/nm	Non⁃V_mic/V_t
CPC_3.0	2409	2038	1.95	1.00	3.58	0.49
CPC_2.0	2739	2353	2.41	1.10	3.78	0.54
CPC_1.0	2251	1887	1.89	0.94	3.66	0.50

Sample	S_BET/（m²·g^‒1）	S_mic/（m²·g^‒1）	V_t/（mL·g^‒1）	V_mic/（mL·g^‒1）	D_ap/nm	Non⁃V_mic/V_t
CPC_3.0	2409	2038	1.95	1.00	3.58	0.49
CPC_2.0	2739	2353	2.41	1.10	3.78	0.54
CPC_1.0	2251	1887	1.89	0.94	3.66	0.50

Adsorbate	Sample	Langmuir model			Freundlich model
Adsorbate	Sample	q_m/（mg·g^‒1）	K_L/（L·mg^‒1）	R²	n	K_F/（mg^1‒ⁿ ·g^‒1·L^1/ⁿ ）	R²
OTC	CPC_3.0	1663	0.404	0.998	8.63	938.91	0.915
	CPC_2.0	1780	0.460	0.999	7.95	962.92	0.940
	CPC_1.0	1519	0.245	0.998	8.77	830.35	0.980
CPL	CPC_3.0	1008	0.009	0.996	7.22	491.65	0.605
	CPC_2.0	1122	0.018	0.995	6.45	501.52	0.750
	CPC_1.0	1089	0.010	0.996	7.89	480.08	0.411

Adsorbate	Sample	Langmuir model			Freundlich model
Adsorbate	Sample	q_m/（mg·g^‒1）	K_L/（L·mg^‒1）	R²	n	K_F/（mg^1‒ⁿ ·g^‒1·L^1/ⁿ ）	R²
OTC	CPC_3.0	1663	0.404	0.998	8.63	938.91	0.915
	CPC_2.0	1780	0.460	0.999	7.95	962.92	0.940
	CPC_1.0	1519	0.245	0.998	8.77	830.35	0.980
CPL	CPC_3.0	1008	0.009	0.996	7.22	491.65	0.605
	CPC_2.0	1122	0.018	0.995	6.45	501.52	0.750
	CPC_1.0	1089	0.010	0.996	7.89	480.08	0.411

Adsorbate	Sample	Pseudo⁃first order kinetics			Pseudo⁃second order kinetics
Adsorbate	Sample	q_e/（mg·g^‒1）	K₁/（g·mg^‒1·min^‒1）	R²	q_e/（mg·g^‒1）	K₂/（g·mg^‒1·min^‒1）	R²
OTC	CPC_3.0	220	0.0687	0.879	1059	0.0013	0.999
	CPC_2.0	289	0.0673	0.937	1148	0.0009	0.999
	CPC_1.0	223	0.0745	0.903	970	0.0013	0.999
CPL	CPC_3.0	134	0.0700	0.926	529	0.0021	0.999
	CPC_2.0	99	0.0806	0.914	549	0.0031	0.999
	CPC_1.0	145	0.0660	0.923	502	0.0018	0.999