高俊杰，趙瑞華，曹 垠

(沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110159)

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溴酚藍修飾固定相的制備及其對諾氟沙星的吸附研究

高俊杰，趙瑞華，曹 垠

(沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110159)

以活性炭、石墨、液體石蠟為基體，采用循環(huán)伏安法制備了溴酚藍化學(xué)修飾固定相，并研究了氧化時間、溫度、掃描電流、掃描時間、振蕩時間和溴酚藍濃度對諾氟沙星的吸附效率的影響。結(jié)果表明，在最佳實驗條件下，諾氟沙星的吸附率由22%提高到73%；修飾后的固定相吸附熱力學(xué)和動力學(xué)分別符合Freundlich等溫方程和HO準二級反應(yīng)方程。

溴酚藍；化學(xué)修飾固定相；諾氟沙星；吸附

目前在化學(xué)分離、物質(zhì)純化及水處理中廣泛使用的方法主要有吸附法[1]、化學(xué)法[2]和生物降解法[3]等，與其他處理方法相比，吸附法具有不造成二次污染，操作簡便，能耗較低等優(yōu)點。隨著科技發(fā)展及對吸附效果的要求不斷提高，傳統(tǒng)的固定相已不能滿足需要，為此，研究新的固定相或吸附劑，以提高它們的吸附能力和吸附選擇性。其中，各種化學(xué)修飾固定相，因其可根據(jù)人們的愿望在一定基體上有選擇地修飾某些分子或官能團，使其具有較強的選擇性和較高的吸附率，在吸附過程中的研究發(fā)展很快。固定相的化學(xué)修飾方法主要包括化學(xué)法[4]、負載法[5]以及電化學(xué)修飾法[6]等。電化學(xué)修飾法是近些年興起的，通過電化學(xué)方法把修飾物引入到固定相表面，然后用該修飾固定相對待吸附的物質(zhì)進行吸附。

近年來，抗生素大量頻繁的應(yīng)用，使得未被充分吸收和完全利用的藥物和代謝物最終進入到水體環(huán)境中，已經(jīng)對水環(huán)境造成了 “持續(xù)性”的藥物污染，不僅破壞生態(tài)，還可能造成水體和其中的微生物、藻類、魚類等生物慢性中毒，進而給人體健康帶來很大的威脅[7]，因此，對水體中藥物去除的研究具有很大的意義。諾氟沙星，俗稱氟哌酸，屬于第三代喹諾酮類藥物，對葡萄球菌有很強的滅活作用。目前吸附諾氟沙星的方法有很多種，主要有土壤吸附[8]、金屬氫氧化物吸附[9]、活性炭吸附[10]等。利用電化學(xué)修飾固定相來吸附諾氟沙星的方法尚未見報道。本實驗利用循環(huán)伏安法制備了溴酚藍化學(xué)修飾固定相，研究表明該修飾固定相對諾氟沙星有較好的吸附性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

XJP-821 (C) 極譜儀 (江蘇江分電分析儀器有限公司)；騰飛-電腦化X-Y記錄儀 (南京大學(xué))；T6紫外可見分光光度計 (北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)。

活性炭、石墨、液體石蠟、0.1mol/L的磷酸鹽緩沖溶液，溴酚藍標準溶液：1mmol/L的磷酸鹽溶液為貯備液，2.0mg/L的諾氟沙星標準使用液。實驗試劑均為分析純，實驗用水為1次蒸餾水。

1.2 溴酚藍化學(xué)修飾固定相的制備及表征

將活性炭、石墨、液體石蠟按照4∶6∶3的比例混合均勻，填充入直徑約為1.2cm的聚乙烯管內(nèi)，管內(nèi)插銅絲作為三電極體系的工作電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。然后，將其放入溴酚藍的磷酸鹽緩沖溶液中，在-1.0～1.8V電位范圍內(nèi)循環(huán)掃描一段時間，掃描速度為100mV/s。最后，將制備好的固定相用蒸餾水沖洗，晾干備用。

通過紅外光譜儀對溴酚藍化學(xué)修飾固定相表面進行表征。

1.3 實驗方法

準確吸取1.0mL諾氟沙星標準使用液加入50mL比色管內(nèi)，加蒸餾水至10mL，將修飾好的溴酚藍修飾固定相放入比色管內(nèi)，在一定的溫度及速度下振蕩一定的時間。

吸附后的諾氟沙星溶液冷至常溫后，在波長為293nm處測其吸光度，通過吸附前后的吸光度值計算溴酚藍修飾固定相對諾氟沙星的吸附率。

2 結(jié)果與討論

2.1 溴酚藍化學(xué)修飾固定相的表征

分別將溴酚藍、溴酚藍化學(xué)修飾固定相、未經(jīng)處理的固定相于55℃下干燥，取固定相表面少量樣品與干燥的KBr粉末混合、研磨、壓片，然后分別對其進行紅外測定(見圖1)。

圖1 溴酚藍修飾固定相表面的紅外光譜圖

在圖1中，a為未經(jīng)過處理的固定相的紅外吸收光譜圖，其中，2928cm-1和2856cm-1為液體石蠟的飽和C—H伸縮振動峰；b為溴酚藍的紅外吸收光譜圖，其中，1474cm-1和1164cm-1分別為O==S==O的反對稱和對稱伸縮振動峰，976cm-1處為磺酸基的特征吸收峰，542cm-1和628cm-1為C—Br的伸縮振動峰；c為溴酚藍修飾的固定相的紅外吸收譜圖，其中在溴酚藍的特征吸收峰譜圖位置均出現(xiàn)了一定強度的吸收峰。這些結(jié)果充分說明了在自制的化學(xué)固定相上面成功地引入了溴酚藍。

2.2 氧化時間對吸附效果的影響

把固定相按照液體石蠟∶石墨∶活性炭質(zhì)量比為4∶6∶3制備好，將其分別放入30%的過雙氧水中氧化5min、10min、15min、20min、25min、30min后，按照實驗方法，考察經(jīng)過不同的氧化時間后再對固定相進行修飾，結(jié)果如圖2所示。

圖2 氧化時間對吸附率的影響

用雙氧水對固定相進行浸泡，其氧化作用能較好地活化固定相表面的含氧官能團，較大程度地提高了固定相對修飾劑的吸附容量。從圖2可以看出，吸附率隨氧化時間的增加而升高，但到20min以后反應(yīng)達到吸附平衡，吸附率不再上升，說明此時固定相表面已經(jīng)被充分氧化。故確定在雙氧水中氧化時間為20min時，吸附效果最佳。

2.3 掃描時間對吸附效果的影響

按照實驗方法，改變修飾過程中的掃描時間，檢驗其是否會對吸附效果產(chǎn)生影響。研究了在掃描時間分別為5min、10min、15min、20min、25min、30min時，溴酚藍化學(xué)修飾固定相對諾氟沙星溶液的吸附情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 掃描時間對吸附率的影響

從圖3可以看出，當(dāng)掃描時間為20min時吸附率最大，小于20min時，吸附率隨時間增加而升高，而大于20min時隨時間增加吸附率反而下降，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要與固定相表面溴酚藍的量有關(guān)，掃描時間過短，固定相表面的溴酚藍含量過少，修飾作用效果不佳；掃描時間過長，固定相表面的溴酚藍含量太高，分子之間可能會產(chǎn)生團聚現(xiàn)象，從而影響了對諾氟沙星的吸附效果。因此，化學(xué)修飾掃描的最佳時間為20min。

2.4 掃描電流對吸附效果的影響

按照實驗方法，改變修飾過程中的掃描電流，檢驗其對吸附效果的影響?？疾炝藪呙桦娏鞣謩e為20μA、50μA、100μA、200μA、500μA時，溴酚藍化學(xué)修飾固定相對諾氟沙星溶液的吸附情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 掃描電流對吸附率的影響

由圖4可以看出，隨著掃描電流的增加，吸附率增大；當(dāng)掃描電流大于100μA后，其吸附率略有下降。開始時，增大電流為修飾反應(yīng)提供能量，有利于溴酚藍修飾到固定相上面，從而提高吸附率；隨著電流持續(xù)增大，可能超過了三電極體系的工作范圍。因此，化學(xué)修飾掃描的最佳電流確定為100μA。

2.5 振蕩吸附時間對吸附效果的影響

按照實驗方法，對固定相進行化學(xué)修飾后，改變振蕩吸附時間，考察不同的振蕩吸附時間對吸附效果的影響。研究了在振蕩吸附時間分別為1.0h、1.5h、2.0h、2.5h時，溴酚藍化學(xué)修飾固定相對諾氟沙星溶液的吸附情況，結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，該修飾固定相對諾氟沙星的吸附率隨著振蕩吸附時間的延長而逐步升高，但當(dāng)吸附容量達到飽和以后即吸附時間為2h時，吸附率基本不變。故確定最佳振蕩時間為2h。

圖5 振蕩吸附時間對吸附率的影響

2.6 溴酚藍濃度對吸附效果的影響

按照實驗方法，在對固定相化學(xué)修飾過程中，改變溴酚藍溶液的濃度，檢驗其是否會對吸附效果產(chǎn)生影響?？疾炝虽宸铀{濃度分別為0.1mg/mL、0.2mg/mL、0.4mg/mL、0.6mg/mL、0.8mg/mL時，溴酚藍化學(xué)修飾固定相對諾氟沙星溶液的吸附效果，結(jié)果如圖6所示。

圖6 溴酚藍濃度對吸附率的影響

由圖6可以看出，隨著溴酚藍濃度的增加，吸附率先增加后減小。當(dāng)溴酚藍濃度為0.6mg/mL時，吸附率達到最大；當(dāng)溴酚藍濃度大于0.6mg/mL時，吸附率有所下降。這可能是因為一方面溶液濃度過高，溴酚藍分子之間產(chǎn)生吸附作用，影響其對諾氟沙星的吸附；另一方面，可能是吸附達到平衡，解吸作用開始加大。為此，溴酚藍最佳濃度確定為0.6mg/mL。

2.7 吸附率實驗

在最佳的實驗條件下，比較經(jīng)溴酚藍化學(xué)修飾的固定相和未經(jīng)處理的固定相對諾氟沙星的吸附效果，經(jīng)計算可知，經(jīng)過溴酚藍化學(xué)修飾的固定相對諾氟沙星的吸附能力遠大于沒有進行處理的固定相，其吸附率由22%提高至73%左右。

2.8 熱力學(xué)分析

一般情況下，吸附劑對溶液中溶質(zhì)的吸附研究可以采用不同的吸附等溫方程來描述。實驗中分別采用Freundlich模型和Langmuir模型來描述諾氟沙星在化學(xué)修飾固定相中的吸附情況，方程可分別簡化為以下形式：

Langmuir吸附方程：

1/qe=1/KLqmCe+1/qm

(1)

Freundlich吸附方程：

lnqe=lnKF+lnCe/n

(2)

式中：Ce為吸附平衡時溶液濃度(mg/L) ；qe為平衡吸附量(mg/g)；qm為飽和吸附量(mg/g)；KL為Langmuir吸附常數(shù)(L/mg)；KF為Freundlich 吸附常數(shù)(L·mg1-n/g)，表示吸附能力；n為Freundlich 吸附常數(shù)，無量綱。

分別用方程(1)、(2) 對得到的實驗數(shù)據(jù)進行分析，所得到的擬合回歸線性方程常數(shù)及相關(guān)系數(shù)見表1。

表1 Langmuir和Freundlich吸附等溫方程參數(shù)

從表1中吸附等溫方程擬合結(jié)果看出，溴酚藍化學(xué)修飾固定相對諾氟沙星的吸附過程符合Freundlich吸附等溫模型，其擬合得到的n均大于1，表明在整個研究范圍內(nèi)有利于吸附的進行。隨著溫度的升高，n值增大，這說明吸附強度增大，溴酚藍化學(xué)修飾固定相對諾氟沙星的吸附屬于多層覆蓋。

溴酚藍化學(xué)修飾固定相對諾氟沙星吸附過程的熱力學(xué)特性可由Freundlich吸附等溫模型的熱力學(xué)參數(shù)來描述，經(jīng)計算得到的熱力學(xué)參數(shù)見表2，可知，溴酚藍化學(xué)修飾固定相對諾氟沙星的吸附過程是一個自發(fā)的、有序的、放熱的物理吸附過程，降低溫度有利于提高吸附率。

表2 吸附熱力學(xué)參數(shù)

2.9 動力學(xué)分析

實驗采用Lagergren準一級動力學(xué)方程和HO準二級動力學(xué)方程對溴酚藍化學(xué)修飾固定相對諾氟沙星的吸附過程進行擬合分析，其方程分別為

Lagergren準一級動力學(xué)方程：

ln(qe-qt)=lnqe-K1t

(3)

HO準二級動力學(xué)方程：

(4)

式中:qt、qe分別為任意時刻吸附量、平衡吸附量(mg/g)；K1為一級動力學(xué)吸附速率常數(shù)(min-1)；K2為二級吸附速率常(g/mg·min)。

分別由方程(3)、(4)所得到的擬合結(jié)果如表3所示。

表3 Lagergren準一級和HO準二級動力學(xué)擬合方程相關(guān)參數(shù)

通過對表3中的擬合方程和相關(guān)系數(shù)比較表明，溴酚藍修飾固定相對諾氟沙星的吸附更符合HO準二級動力學(xué)方程。

3 結(jié)論

采用循環(huán)伏安法制備了溴酚藍化學(xué)修飾固定相并利用該固定相對諾氟沙星溶液進行了吸附研究。該固定相對諾氟沙星表現(xiàn)出較好的吸附性能，最佳實驗條件是活性炭、石墨和液體石蠟用量比例為4∶6∶3、氧化時間為20min、溫度為40℃、電流為100μA、振蕩時間為2.0h、溴酚藍濃度為0.6mg/mL、掃描時間為20min，諾氟沙星的吸附率由22%提高到73%；溴酚藍化學(xué)修飾的固定相吸附熱力學(xué)符合Freundlich等溫方程，屬于多層覆蓋；吸附動力學(xué)符合HO準二級動力學(xué)模型。該類固定相制作及修飾過程成本較低、設(shè)備簡單、操作方便，可根據(jù)需求選擇不同的修飾劑來修飾固定相，進而有選擇性地吸附物質(zhì)，發(fā)展前景良好。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Preparation of Bromophenol Blue-modified Stationary Phase and its Adsorption Performance of Norfloxacin

GAO Junjie,ZHAO Ruihua,CAO Yin

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Bromophenol blue-modified stationary phase was prepared by the cyclic voltammetry method with activated carbon,graphite and liquid paraffin as the matrix.The effect of oxidation time,temperature,scanning current,scanning time,oscillation time and amount of bromophenol blue on adsorption performance of norfloxacin was investigated.The results showed that,under the optimum experimental conditions,the adsorption efficiency of norfloxacin was increased from 22% to 73%.The adsorption process of modified stationary phase could be well described by Freundlich equation and HO Quasi-second-order kinetic model,respectively.

bromophenol blue;chemically modified stationary phase;norfloxacin;adsorption

2015-12-31

高俊杰(1962—)，男，教授，研究方向：光譜分析。

1003-1251(2016)04-0076-05

O657.3

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