改性水稻秸秆对水中四环素的去除研究开题报告

 2022-01-23 20:56:59

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

1.本课题的意义、国内外研究概况、应用前景等（列出主要参考文献）

1.1本课题的意义

抗生素，是由微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物，能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质。自1928年发现青霉素以来，抗生素已经广泛地应用于人类及动物的疾病防治、农业生产、畜牧及水产养殖等领域[1]。抗生素的开发和利用，在治疗感染性疾病方面发挥了巨大作用，有效障了人类的生命和健康[2]，同时，在预防和治疗动物疾病以及促进动物生长等方面也起到了非常重要的作用，促进了规模化养殖，提高了畜牧及水产养殖业的经济效益[3]。

抗生素在为人类的健康与生产作出突出贡献的同时，大量使用甚至滥用的抗生素也为人类和环境带来了潜在威胁。人畜服用的抗生素大部分无法被机体吸收和利用，而是以原药的形式排泄进入环境。而抗生素属生物难降解物质,长期残留在环境中，会引起微生物耐药性，影响水生生物生长和繁殖，影响植物生长甚至影响人类健康[4]。现如今,许多国家的河流,湖泊,地下水,饮用水中都检测出了抗生素[5]。

四环素是我国目前使用量最大的一类抗生素[6]，其在环境中的滞留量不容小觑。而抗生素由于其本身的毒性和抗性，对微生物具有抑制作用，传统的生化水处理工艺并不能将其有效降解或去除。而吸附法由于其成本低、效果好，在处理抗生素废水方面逐渐得到关注。

我国是传统的农业大国，2015年统计数据显示，我国粮食总产量达62143.92万吨[7]，高居世界第一位。我国每年农作物秸秆产量更是多达85000万吨，其中稻草秸秆的产量约为18000万吨。目前，农作物秸秆的主要利用方式有作为农用肥料、饲料、农村新型能源、工业原料、食用菌基料等，此外，仍然有约60%的作物秸秆未被有效利用[8]。而稻草秸秆更是由于木质素含量低、 营养价值低和热值低等原因不适用于主要的再利用途径，被大量焚烧或丢弃[9]，不仅造成了生物质能源的大量浪费，且秸秆在焚烧过程中产生的 CO2、CO、SO2及颗粒物质等更是严重破坏了空气质量和周围环境。

本研究旨在开发能够提高水稻秸秆高吸附性能的处理工艺，并用于对水体中抗生素的去除。本研究在将农业秸秆资源化的同时，同时去除了水环境中的污染物,从而可以为秸秆资源化提出一种途径，为水环境中抗生素的去除提供一种有效的方法，为此净化系统应用在农田河道中的应用提供理论基础，具有重要的现实意义。

1.2国内外研究概况

已有的研究表明，生物质基材料具有理想的吸附性能。国外已对一些农业废弃物如甘蔗渣、花生壳、苹果渣、锯末、椰子壳、香蕉皮[10]等进行改性制备

吸附剂处理废水。作为农业大国，利用水稻秸秆制备生物质吸附剂处理抗生素废水对实现资源的综合利用具有着良好的经济价值和现实意义。

水稻秸秆含有大量的纤维素、半纤维素、木质素等，这些化合物含有大量的活性羟基[11]，具有较好的吸附性能，且通过改性活化，或者官能团改性后，其吸附性能还能得到得到进一步的提高。目前，较为常见的方法是将水稻秸秆等植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生一类高度芳香化难溶性固态物质[12]生物质炭，即我们常说的活性炭。由于生物炭内部所富含的微孔结构以及本身具有的强芳香性和配位性，对环境中的重金属离子、持久性有机污染物、其他离子以及抗生素都具有较强的吸附作用。

但由于制备生物炭的过程需要在完全或部分缺氧的高温情况下进行，这无疑增加了成本，且不利于该方法的大规模普遍化推广。

除高温热裂解炭化方法外，对于水稻秸秆的改性，国内外的学者做了大量研究，如酸碱改性、氧化剂氧化、酯化改性处理等。酸碱改性即利用盐酸，氢氧化钾等试剂进行改性处理，来提高材料表面活性，去除材料表面的易溶有机物质，达到增加表面微孔数量的目的，同时减少或避免生物材料释放化学物质。氧化剂氧化通常分为选择性氧化和非选择性氧化。由于非选择性氧化生成的官能团种类和位置不定，且较为复杂，目前常见的氧化方式是选择性氧化，不同氧化剂可将材料表面的功能基团(如羟基) 氧化成不同的新官能团[13]。常见的如使用高锰酸钾和双氧水等氧化剂对生物材料进行修饰和改性，从而强化生物吸附剂对特定污染物，特别是重金属和阳离子型染料的吸附能力。酯化改性是指在酸的催化作用下， 生物材料分子链中的羟基与酸、 酸酐等发生酯化反应。通过酯化，纤维素内的氢键会减少或消失，从而使分子间的相互作用力减弱， 强化对污染物质的吸附能力的一种改性方式。

1.3应用前景

对

对水稻秸秆进行改性处理，方法简便、操作可行、成本低廉且效果良好，便于普遍化推广。目前，对于改性秸秆吸附水体中重金属离子、有机污染物、磷酸根离子已有研究，但对于吸附水体中的抗生素研究较少。本课题通过对改性水稻秸秆-砂滤系统对抗生素的去除研究，也为寻找农村小规模微污染水体的处理工艺做出探索。利用水稻秸秆作为吸附剂不仅实现了废物利用，并且对环境保护和可持续发展做出贡献。

参考文献：

[1]章强.中国主要水域抗生素污染现状及其生态环境效应研究进展[J].环境化学，2014，33（7）：1075-1083

[2]刘小云.水中抗生素污染现状及检测技术研究进展[J].中国卫生检验杂志，2005,15(8)：1011-1014

[3]高立红.抗生素环境行为及其环境效应研究进展[J].环境化学，2013，31（9）：1619-1633

[4]符荷花.抗生素的高级氧化降解工艺与机理研究进展[J].绿色科技，2014（10）：165-168

[5]李露.TiO2光催化降解水体中抗生素的研究进展[J].三峡大学学报（自然科学版），2013，35（1）：88-95

[6]刘江国.改性玉米秸秆对四环素废水的吸附研究[J].环保科技，2009（4）：27-30

[7]中华人民共和国国家统计局

[8]李勇.氯化锌改性稻草秸秆吸附Cu2 的研究［J］．安徽农业科学，2013，41(26)：10773-10775

[9]杨丹.稻草秸秆在环境污染治理中的应用研究[J].安徽农业科学, 2014，

42（32）：11467-11469

[10]王宇.改性玉米秸秆对水中磷酸根的吸附动力学研究[J] .环境科学, 2008, 29(3)：703-708

[11] GAO H. Characterization of Cr(VI) removal from aqueous

solutions by a surplus agricultural wasteRice straw. Journal of

Hazardous Materials, 2008，150(2)：446-452

[12]ANTAL M J. The art, science and technology of charcoal production [J]. Industrial and Engineering Chemistry, 2003 ，42(8)：1619-1640

[13]杨林章.利用农业副产物制作低成本吸附材料的研究现状与展望.生态与农村环境学报, 2013，29(5)：545-550

2. 研究的基本内容和问题

2.研究的目标、内容和拟解决的关键问题

2.1研究目标

阐明以水稻秸秆为生物材料的吸附剂吸附机理，优化水稻秸秆的改性工艺，为研究去除水中微量抗生素的改性水稻秸秆-砂滤系统提供高性能的吸附剂。

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3. 研究的方法与方案

3.研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

3.1研究方法

（1）采用不同处理方法对水稻秸秆进行改性处理，制得最优改性水稻秸秆吸附剂。

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4. 研究创新点

1、实验分析以改性水稻秸秆为吸附剂对抗生素的吸附效率和吸附机理，阐明抗生素在改性水稻秸秆-砂滤系统中的吸附动力学特征和吸附路径。

2、本研究利用农业废弃物水稻秸秆，将其简单加工，制作改性水稻秸秆-砂滤系统，研究经济、高效的水体中微量抗生素的去除技术，为充分利用农业资源和农村小规模微污染水体的处理工艺做出探索。

5. 研究计划与进展

2016年12月-2017年2月 基础资料收集，实验前期准备工作

改性水稻秸秆的筛选与制备

改性水稻-砂滤系统装置的搭建

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