不同离子强度和pH下黏土类胶体和典型抗生素协同运移的机理研究

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地下环境中抗生素污染问题已受到人们的普遍关注,高浓度磺胺类和喹诺酮类抗生素经常在土壤、河流底泥及地下水环境中被检测到,对生态环境和人类健康构成巨大威胁。土壤中广泛存在的黏土胶体物质可能增强或减弱抗生素在地下环境中的运移行为,对抗生素的归趋和转运起着重要作用。本文以磺胺嘧啶(Sulfadiazine,SDZ)和环丙沙星(Ciprofloxacin,CIP)为研究对象,通过室内砂柱实验研究了黏土胶体、抗生素以及胶体协同抗生素在离子强度/类型和pH条件下的运移过程,结合DLVO理论、胶体阻塞作用,分析了胶体对抗生素运移的影响规律及作用机理。取得的主要研究成果如下:(1)黏土胶体与抗生素混合液中各组分的测定方法及适用条件利用紫外可见分光光度计的双波长和吸光度加和性原理可实现混合液中高岭石胶体浓度、抗生素(SDZ和CIP)离子态、胶体态和总浓度的测定,而蒙脱石胶体与环丙沙星混合溶液的吸光度不符合加和性原理。溶液的pH、离子强度和类型会影响抗生素吸光度的测定,因此,在抗生素的测定过程中应严格控制溶液的pH、离子强度和类型等环境条件。(2)高岭石胶体协同磺胺嘧啶在石英砂中的运移特征高岭石胶体协同磺胺嘧啶运移过程中,SDZ主要以溶解态形式运移。在酸性和中性条件下,高岭石胶体通过疏水吸附作用和竞争石英砂介质表面吸附点位促进SDZ的运移;在碱性条件下,由于静电斥力作用胶体对SDZ的运移无影响。SDZ可在酸性条件下显著抑制高岭石胶体的运移,而在中性和碱性条件下对高岭石胶体的运移影响不大。当背景溶液为NaCl时,低离子强度下,高岭石胶体的存在,可以促进SDZ的运移,高离子强度下胶体对SDZ的运移无影响;当背景溶液为CaCl2时,Ca2+对胶体的稳定性影响较大,使胶体发生凝聚沉淀,并且Ca2+可在SDZ与石英砂和胶体表面之间起桥键作用,从而抑制SDZ的运移。此外,当电解质溶液为0.001mol/L NaCl时,SDZ的加入使胶体的回收率由91.80%增加至95.07%,促进了胶体的运移,且随着离子强度的增加促进作用增强。(3)高岭石胶体协同环丙沙星在石英砂中的运移特征高岭石协同环丙沙星运移过程中,CIP主要以溶解态形式运移。不同pH下,高岭石胶体的存在均抑制了CIP在石英砂中的运移,且pH越高抑制作用越明显,使CIP的回收率由95.19%降至70.50%;同时,CIP也显著抑制了高岭石胶体的运移,在pH4和7时,CIP的存在使得高岭石胶体的粒径增大3-4倍,胶体的回收率为0,而pH为9时,高岭石胶体有短暂的出流。不同离子强度和类型下,高岭石胶体的存在均抑制了CIP的运移,由于Ca2+与CIP竞争介质表面吸附点位的能力大于Na+,且Ca与CIP之间可形成Ca-CIP络合物,导致Ca2+对CIP运移的抑制程度小于Na+;同时,CIP的存在使得高岭石胶体的颗粒粒径增大,胶体与固体颗粒的直径比(dp/dc)为0.0031-0.0047,从而抑制胶体的运移。此外,由于CIP表面含有多种活性官能团,导致高岭石胶体对CIP运移的影响大于SDZ。(4)蒙脱石胶体协同环丙沙星在石英砂中的运移特征蒙脱石胶体协同环丙沙星运移过程中,pH4条件下,蒙脱石胶体的存在使CIP以溶解态形式运移的数量急剧减少(回收率从89.26%降至2.64%),随着pH的增加,溶解态CIP出流量增多(回收率从2.64%增加至18.84%),胶体对溶解态CIP运移的抑制作用减弱。加入CIP后,仍有大量的胶体从砂柱流出,此时,CIP主要以胶体态的形式运移。除0.01 mol/L CaCl2条件下,溶解态CIP的回收率为50.22%,其他条件下,蒙脱石胶体的存在均抑制了溶解态CIP的运移,使其回收率均低于6.96%;除0.001mol/L NaCl的情况外,协同运移过程中蒙脱石胶体的回收率均为0,与单独胶体运移相比,CIP的加入显著抑制蒙脱石胶体的运移。此外,由于蒙脱石胶体对CIP的吸附能力较强,且吸附机制主要发生在蒙脱石胶体层间结构中,因此,不同离子强度和pH下蒙脱石胶体对CIP运移的影响大于高岭石胶体。
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