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        超聲降解鹽酸四環(huán)素的實(shí)驗(yàn)研究

        2020-07-31 01:07:20洪桂云朱曙光
        關(guān)鍵詞:超聲波鹽酸廢水

        袁 浩, 洪桂云, 朱曙光

        (1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.安徽省水污染控制與廢水資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230601)

        抗生素類藥物的生產(chǎn)和使用較為廣泛,但在其制作和使用中產(chǎn)生的各類廢水會(huì)對(duì)當(dāng)下環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響[1]。當(dāng)前抗生素主要用在醫(yī)療和農(nóng)業(yè)等方面,總生產(chǎn)量接近2.1×105t,這兩方面就占了86%[2]。在常見的水體中都檢測(cè)到了各類抗生素,濫用抗生素已成為常態(tài)。由于水體中各類抗生素的存在,給大自然和人類健康帶來危害,各類的抗生素長期持續(xù)性使用,細(xì)菌的耐藥性逐漸增強(qiáng),也使得環(huán)境中微生物的生存環(huán)境大大改變,還會(huì)導(dǎo)致人類身體免疫力下降。我國用的最多的一類抗生素為四環(huán)素類抗生素,該類抗生素達(dá)到抑制細(xì)菌效果的原理是通過避免氨酰tRNA與核糖體結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合,從而來抑制菌體蛋白的合成,抗生素在環(huán)境中不但會(huì)造成化學(xué)方面的污染,還會(huì)在環(huán)境中誘導(dǎo)抗性基因和微生物的產(chǎn)生,并使抗生素的抗性加以擴(kuò)散。

        國內(nèi)外用于降解四環(huán)素類藥物技術(shù)主要包括物理方法[4-7]、生物方法、化學(xué)處理方法[8-10]等。近幾年新興起來的一項(xiàng)水處理技術(shù),用超聲波去降解水體中的污染物質(zhì),它集中了各類水處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),如焚燒、超臨界氧化、以及高級(jí)氧化技術(shù)(Advanced Oxidation Technology),其降解的速度較快,適用于較多種類的污染物,且降解的條件還相對(duì)溫和,在處理廢水方面有很大潛力。郭照冰等[11]研究了不同的四環(huán)素初始濃度、不同的超聲波功率、不同的酸堿度及H2O2等添加劑對(duì)四環(huán)素的降解速率的影響。其結(jié)果顯示,在偏堿性的環(huán)境中,濃度較低的四環(huán)素聯(lián)合超聲H2O2等添加劑對(duì)四環(huán)素的降解更加有利。喬冠磊[12]利用了超聲波輻照法去嘗試降解水中環(huán)丙沙星,發(fā)現(xiàn)隨著溶液的初始濃度的增加,其降解率會(huì)大大降低。隨著超聲功率的增加而增大。劉越男等[13]采用超聲波內(nèi)環(huán)流氣升式反應(yīng)器處理印染廢水,反應(yīng)30 min,COD的去除率以及脫色率分別為35.6%和74.8%,閏正等[14]利用超聲對(duì)偶氮染料土霉素廢水進(jìn)行處理,最后結(jié)果顯示COD去除率和脫色率均可達(dá)到90%往上。目前,對(duì)于污水的處理,超聲波技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用,且大多數(shù)情況下能達(dá)到理想的效果。

        本文利用超聲波技術(shù)降解模擬廢水中的鹽酸四環(huán)素,分別探討了抗生素廢水的初始濃度、超聲功率、溶液pH、超聲作用時(shí)間等因素對(duì)超聲波降解鹽酸四環(huán)素降解率的影響,通過建立吸光度與濃度之間的回歸方程來衡量鹽酸四環(huán)素超聲降解率,通過對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)的探究,逐步優(yōu)化超聲波工藝的參數(shù),設(shè)計(jì)4因素3水平的正交實(shí)驗(yàn),找出超聲降解鹽酸四環(huán)素的最優(yōu)條件。本研究旨在探索超聲波技術(shù)能否高效降解水中抗生素,使廢水中抗生素最大限度的去除,以減少對(duì)水體和環(huán)境的危害。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

        在本實(shí)驗(yàn)的研究過程中,所用到的實(shí)驗(yàn)藥品如表1所示,實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示。

        表1 實(shí)驗(yàn)中所用到的試劑

        表2 實(shí)驗(yàn)中所用到的儀器名稱、型號(hào)和制造廠家

        1.2 鹽酸四環(huán)素降解率的確定方法

        取0.050 g鹽酸四環(huán)素溶于去離子水,配制成1 000 mL 50.0 mg/L鹽酸四環(huán)素溶液,以此為母液分別配制濃度為1.25 mg/L、2.5 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L鹽酸四環(huán)素溶液,通過高效液相色譜儀對(duì)20 mg/L的溶液進(jìn)行光譜掃描,根據(jù)掃描出的光譜圖可以發(fā)現(xiàn)鹽酸四環(huán)素的有兩個(gè)最大吸收波長,一個(gè)為357 nm,另一個(gè)為276 nm。另外再對(duì)10 mg/L的溶液通過光譜掃描,最后確定鹽酸四環(huán)素的最大特征吸收波長設(shè)定為357 nm,接著以此波長測(cè)量其他濃度的溶液的吸光度,并根據(jù)吸光度與溶液濃度繪制出一條標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1。從圖1可以看到,標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為Y=0.121 4x+0.011 5,線性相關(guān)性為0.999 8,這表明,吸光度與濃度之間存在明顯的線性關(guān)系。

        圖1 鹽酸四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

        鹽酸四環(huán)素的降解率按公式(1)計(jì)算:

        (1)

        式中:η為鹽酸四環(huán)素的降解率,%;A為鹽酸四環(huán)素超聲后的吸光值,Abs;A0為初始吸光值,Abs。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        在研究單因素對(duì)鹽酸四環(huán)素降解率的影響時(shí),超聲頻率分別設(shè)置為252 W、486 W、612 W、720 W、972 W,超聲時(shí)間分別設(shè)置為4 min、6 min、8 min、10 min、12 min,溶液初始濃度分別設(shè)置為4 mg/L、12 mg/L、20 mg/L、28 mg/L、36 mg/L、44 mg/L,溶液pH分別設(shè)置為2、4、6、8、10、12。結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,按照L9(34)三水平四因素正交實(shí)驗(yàn)表來設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),初始濃度設(shè)置10 mg/L、30 mg/L、50 mg/L 3個(gè)水平,超聲功率設(shè)置360 W、720 W、1 080 W三個(gè)水平,溶液pH設(shè)1、3、5三個(gè)水平,超聲時(shí)間設(shè)置3 min、7 min、11 min三個(gè)水平,正交實(shí)驗(yàn)因素-水平表如表3所示。

        表3 因素-水平表

        圖2 各單一因素對(duì)鹽酸四環(huán)素降解率的影響

        2 結(jié)果與討論

        2.1 單因素對(duì)鹽酸四環(huán)素降解率的影響

        在探究超聲功率對(duì)鹽酸四環(huán)素降解的影響時(shí),配制濃度為20 mg/L的模擬抗生素廢水,調(diào)節(jié)溶液pH為5.5,分別在126 W、252 W、486 W、612 W、720 W、972 W的超聲功率下超聲時(shí)間3 min,然后用紫外可見分光光度計(jì)在357 nm處進(jìn)行比色,記錄下吸光值,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2(a)所示。從圖2(a)可以看出,用超聲降解鹽酸四環(huán)素,超聲功率為972 W時(shí)鹽酸四環(huán)素的降解率最大,達(dá)到80.5%,超聲功率為126 W時(shí)降解率最小,只有69.3%,252 W時(shí)降解率為71.5%,隨著超聲功率的增加,鹽酸四環(huán)素的降解率逐漸增大,鹽酸四環(huán)素的降解率與超聲功率的大小成正相關(guān),即超聲功率越大,降解率越大。這是因?yàn)檩^大超聲功率密度條件下,一方面會(huì)產(chǎn)生較多的空化泡,從而OH等自由基濃度增加;另一方面,當(dāng)超聲的強(qiáng)度加強(qiáng),溶液的震蕩效果也逐漸加劇,傳質(zhì)速率也隨之加快,增加了OH與四環(huán)素分子的碰撞幾率,促進(jìn)其降解[15]。

        在探究超聲時(shí)間對(duì)鹽酸四環(huán)素降解的影響時(shí),配制濃度為20 mg/L的模擬抗生素廢水,調(diào)節(jié)溶液pH為5.5,超聲功率為972 W,分別超聲2 min、4 min、6 min、8 min、10 min、12 min,然后用紫外可見分光光度計(jì)在357 nm處進(jìn)行比色,記錄下吸光值,將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到圖2(b)所示的結(jié)果。從圖2(b)可以看出,12 min時(shí),鹽酸四環(huán)素的降解率最大,達(dá)到77.9%,超聲時(shí)間為2 min時(shí),鹽酸四環(huán)素的降解率最小,僅有67.2%,隨著超聲時(shí)間的增加,鹽酸四環(huán)素的降解率也相應(yīng)的增大,鹽酸四環(huán)素的降解率與超聲時(shí)間的大小也呈正相關(guān)。

        在探究溶液初始濃度對(duì)鹽酸四環(huán)素降解的影響時(shí),配置不同濃度梯度的鹽酸四環(huán)素溶液,溶液初始濃度分別為4 mg/L、12 mg/L、20 mg/L、28 mg/L、36 mg/L、44 mg/L,在超聲功率為972 W,超聲時(shí)間為12 min,pH為5.5的條件下進(jìn)行超聲處理。超聲結(jié)束后用紫外可見分光光度計(jì)在357 nm波長處進(jìn)行比色,記錄吸光值,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到溶液初始濃度對(duì)鹽酸四環(huán)素降解率的影響如圖2(c)所示。從圖2(c)可以看出,當(dāng)溶液濃度為4 mg/L時(shí),鹽酸四環(huán)素的降解率最大,達(dá)到74.6%;當(dāng)鹽酸四環(huán)素的濃度為44 mg/L時(shí),降解率最小,僅有31.2%;當(dāng)溶液濃度為28 mg/L時(shí),對(duì)應(yīng)的降解率為44.7%;溶液初始濃度越低,在相同超聲時(shí)間作用下,鹽酸四環(huán)素的降解率越高,即鹽酸四環(huán)素的降解率與溶液初始濃度呈負(fù)相關(guān)。結(jié)合馬艷等[18]對(duì)超聲降解鹽酸四環(huán)素的研究,溶液初始濃度越低,在相同超聲時(shí)間作用下,鹽酸四環(huán)素的去除率越高,原因是超聲功率一定時(shí),產(chǎn)生的氧化活性物總量是一定的,所以當(dāng)溶液初始濃度增加時(shí),鹽酸四環(huán)素的去除率必然降低。

        在探究溶液pH值對(duì)鹽酸四環(huán)素降解的影響時(shí),配制6份500 ml的4 mg/L鹽酸四環(huán)素溶液,用鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH值為2、4、6,用氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH值為8、10、12,在超聲功率為972 W的條件下依次超聲12 min,之后在在357 nm波長條件下用紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行比色,記錄吸光值,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。溶液pH值對(duì)超聲降解鹽酸四環(huán)素的影響如圖2(d)所示。從圖2(d)可以看出,酸性條件下,隨著pH值的增加,鹽酸四環(huán)素的降解率也漸漸增大,pH值為6時(shí),降解率為72.6%,降解率最大。相反在堿性條件下,降解率大大降低,隨著溶液pH值的增加,鹽酸四環(huán)素的降解率也相應(yīng)的減小。堿性條件下鹽酸四環(huán)素的降解率之所以會(huì)下降那么明顯,是因?yàn)樵趬A性條件下,部分鹽酸四環(huán)素失效導(dǎo)致。

        2.2 超聲降解鹽酸四環(huán)素最優(yōu)條件

        通過研究超聲功率、超聲時(shí)間、溶液初始濃度、溶液pH對(duì)超聲降解鹽酸四環(huán)素降解率的影響,得出了各個(gè)單因素對(duì)鹽酸四環(huán)素降解率的影響規(guī)律,為了進(jìn)一步探討復(fù)合因素影響下的超聲降解鹽酸四環(huán)素的最優(yōu)降解條件,設(shè)計(jì)了4因素3水平的正交試驗(yàn),通過正交實(shí)驗(yàn)得出超聲降解鹽酸四環(huán)素的最優(yōu)條件。超聲降解鹽酸四環(huán)素正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及降解率極差計(jì)算值如表4。

        表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果、降解率極差計(jì)算表

        從表4可以看出,不同因素對(duì)利用超聲降解四環(huán)素的影響效果為:(A)鹽酸四環(huán)素的初始濃度>(B)超聲功率>(D)pH值>(C)超聲時(shí)間,所以鹽酸四環(huán)素的初始濃度是影響超聲降解率的最關(guān)鍵因素。從因素-降解率指標(biāo)趨勢(shì)圖可以看出,多因素影響下,各單因素對(duì)鹽酸四環(huán)素降解率的影響規(guī)律與單因素單獨(dú)作為略有不同。其中,鹽酸四環(huán)素初始濃度對(duì)降解率表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì),而超聲時(shí)間和超聲時(shí)間則表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)。由圖3因素-降解率指標(biāo)趨勢(shì)圖可以得到超聲降解鹽酸四環(huán)素的最優(yōu)條件為:A2B3C2D1,即溶液初始濃度為30 mg/L,超聲功率為1 080 W,時(shí)間為7 min,溶液pH為1。

        2.3 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

        為了驗(yàn)證用正交實(shí)驗(yàn)得到的鹽酸四環(huán)素最佳降解條件(液初始濃度為30 mg/L,超聲功率為1 080 W,超聲時(shí)間為7 min,溶液pH為1)處理鹽酸四環(huán)素外的其他種類抗生素,驗(yàn)證鹽酸四環(huán)素的最佳降解條件是否適用于其他種類的抗生素,用最佳降解條件分別處理鹽酸金霉素、諾氟沙星、硫酸慶大霉素、氯霉素和雙氫鏈霉素,并在各自最大吸收波長處測(cè)量吸光值,根據(jù)公式(1)算出各抗生素的降解率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

        表5 最佳降解條件處理不同種類抗生素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        從表5可以看出,在超聲降解鹽酸四環(huán)素的最優(yōu)條件處理下,鹽酸四環(huán)素降解率高達(dá)到82.5%,較為高效。用超聲降解鹽酸四環(huán)素的最優(yōu)條件處理鹽酸金霉素,降解率達(dá)到76.9%,降解率較高,但是用超聲降解鹽酸四環(huán)素的最優(yōu)條件處理諾氟沙星、硫酸慶大霉素、氯霉素、雙氫鏈霉素其他四種抗生素時(shí),降解率分別只有25.7%、23.6%、19.8%和24.9%,降解率保持在20%左右,降解率較低。由此可見,對(duì)于同種類的抗生素,超聲最優(yōu)處理?xiàng)l件同樣適用,但是對(duì)于其他種類的抗生素,最優(yōu)條件處理后降解率達(dá)不到理想的效果,表明本實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)條件不適用于其他種類的抗生素。

        3 結(jié) 語

        本文探討了超聲功率、超聲時(shí)間、溶液初始濃度、溶液pH對(duì)超聲降解鹽酸四環(huán)素降解率影響,主要研究結(jié)論如下:

        (1)鹽酸四環(huán)素的降解率與超聲功率大小和超聲時(shí)間成正比,與初始溶液濃度成反比。酸性條件下,溶液pH越大,鹽酸四環(huán)素降解率越高,堿性環(huán)境下與酸性環(huán)境相反,超聲基本失效。

        (2)超聲降解鹽酸四環(huán)素的最優(yōu)條件為超聲功率1 080 W,超聲時(shí)間為7 min,溶液初始濃度為30 mg/L,pH為1,在此條件下,鹽酸四環(huán)素降解率高達(dá)82.5%。

        (3)最優(yōu)降解條件適用于和鹽酸四環(huán)素同種類的抗生素,不適用于處理諾氟沙星、硫酸慶大霉素、氯霉素和雙氫鏈霉素等其他種類的抗生素。

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