1、多壁碳納米管作吸附劑去除天然及人工合成內分泌干擾雌激素的動力學及機理探討Removal of natural and synthetic endocrine disrupting estrogens by multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) as adsorbent: Kinetic and mechanistic evaluation摘要：內分泌干擾物在水體環境中的持久性已經引起了全球的廣泛關注，它們對一個完整有機體或者其后代可能存在破壞性的影響，隨后還會對其分泌功能造成納米級水平上的破壞。利用多壁碳納米管作吸附劑，采用攪拌非流動的批量吸附實驗來去除水

2、體中的兩種內分泌干擾物：天然的雌三醇（E3）和人工合成的17-乙炔基雌二醇（EE2）。多壁碳納米管對于去除水相中濃度相對較低的天然及人工合成的雌激素具有很好的效果。根據水相中吸附質的濃度和溶液pH值建立了內分泌干擾物多壁碳納米管吸附系統。粒子內擴散圖顯示了內分泌干擾物多壁碳納米管吸附機理的復雜性，其機理包括邊界層和粒子內擴散。吸附平衡數據表明：在較低的濃度下，吸附動力學與準二級反應動力學模型相吻合。研究發現內分泌干擾物在多壁碳納米管上的吸附由膜擴散過程控制。吸附數據滿足Langmuir吸附等溫線模型，且具有較好的的線性關系。在中性的氧化還原反應條件下，多壁碳納米管對內分泌干擾物具有較好的吸附作

3、用。對純凈的多壁碳納米管和吸附有雌激素的多壁碳納米管采用循環伏安法來研究內分泌干擾物在多壁碳納米管上的吸附行為。采用直接競爭免疫酶比色法來定量分析雌激素的濃度。關鍵詞：免疫酶比色法（EIA）；循環伏安法；多壁碳納米管（MWCNT）；內分泌干擾物（EDCs）1 介紹目前，全球普遍關注淡水體系中持久性污染物內分泌干擾物（EDCs）/雌激素，因為它們可能對一個完整有機體及其后代造成破壞性的影響，同時它還有可能破壞后代的內分泌功能。雌激素是模擬或者阻止人類和動物內分泌系統自然功能的異生源和外生源，它可能影響合成、分泌、運輸、結合等過程，它可以直接或者間接的通過受體介導過程模擬內源性激素來抑制正常激素的

4、活性。雌激素甚至能使水生有機生物體的內分泌和其他重要系統遭受納米級水平上的干擾破壞，目前發現這種風險還在逐漸增加。人們首先在水體和沉積物中檢測到雌激素的存在，主要是因為人類和動物排泄物中的某些成份能相互作用形成不活躍的極性結合物諸如葡萄糖醛酸和硫酸鹽。而現有的污水處理設備無法將其完全祛除造成其在水體環境中存在。在世界各地的自然和工程環境中檢測到存在不同類型的雌激素，包括地表水、地下水，污水、海水和沉積物。天然類固醇雌激素17-雌二醇（E2）、雌酮（E1）、雌三醇（E3）和人工合成雌激素17-乙炔基雌二醇（EE2）在污水及接受污水的水體中都被檢測到其存在。中水或者處理過廢水中殘留的內分泌干擾物可

5、能對被受納水體中的水生生物造成慢性或者急性的不利影響，如果回收再利用的水返回到供水系統，那么它同樣會對人類造成危害。在傳統的活性污泥系統中，因為操作條件保持相對較短的污泥停留時間（SRTs），這種處理不包括生物脫氮除磷的過程，因此對于雌激素的去除效率很低。在硝化活性污泥中（NAS），異養菌的新陳代謝首先利用葡萄糖而不是雌酮（E1）。微量的雌激素和許多其共軛物在水處理前或者水處理過程中被微生物作用分解為游離的雌激素。由于較低的亨利系數、較高的辛醇水分配系數（Kow）和較低的可生物降解性，雌激素的祛除可能是由于生物吸附組合和生物降解作用而被吸附到活性污泥上。相關研究也提到了內分泌干擾物在污泥上的吸

6、附行為。相關報道還提到利用酶介導過程、超生破壞、臭氧和砂過濾、高鐵酸鉀處理、吸附法、生物膜法、生物電化學處理、高級氧化技術、電解法、硝化菌處理、生態工程處理系統（EETS）和微藻來處理內分泌干擾物。為了降低處理過廢水中雌激素排放到水環境中造成的潛在風險，研究它們的祛除方法具有重大意義。因此，本文研究了天然類固醇雌激素雌三醇（E3）和人工合成雌激素17-乙炔基雌二醇（EE2）在多壁碳納米管上的吸附行為。設計了攪拌非流動的批量吸附試驗來研究多壁碳納米管對水相中內分泌干擾物的選擇性吸附性能。碳納米管（CNT）由一種（單壁，SWCNT）或者多種（多壁，MWCNT）石墨烯薄片卷繞成筒狀使得每一個碳粒子都

7、具有非常大的長徑比和非常大的比表面積。對于水相中的大部分污染物，包括重金屬和有機溶質來說，碳納米管較大的比表面積使其成為一種強吸附劑。結果是，這種材料無論作為固定相還是分散相的吸附劑在環境治理中都非常重要，在分散相系統中還能促進污染物的轉移。本次研究利用多壁碳納米管作吸附劑有兩個主要原因。目前，多壁碳納米管能夠大量生產并且非常廉價，因此非?？赡鼙挥脕懋斪魃虡I化的吸附劑。2實驗部分2.1多壁碳納米管多壁碳納米管（MWCNT）采購于MWCNT， Aldrich (St. Loius， MO， USA) (636835)。多壁碳納米管材料的純度95%，外徑為60100nm，內徑為510nm。多壁碳納

8、米管的長度為0.5500m。這些規格詳情由制造商提供。多壁碳納米管的表面積（BET法測得）為40300m2/g。多壁碳納米管用作吸附劑來祛除水相中的內分泌干擾物沒有做過任何預處理。2.2內分泌干擾物（EDCs）雌三醇（E3，C18H24O3）；17-乙炔基雌二醇（EE2，C20H24O2）被稀釋到所圖1 E3和EE2的結構式需的濃度時當作內分泌干擾物的代表性物質（圖1）。E3是一種無味的白色晶體（白色，比重0.965）；摩爾質量288.38g/moL；熔點范圍284285；25時在水中的溶解度為0.5mg/mL（在冷水及熱水中不溶）。EE2是一種無味的白色晶體；比重0.965；摩爾質量296.

9、40 g/moL；熔點范圍范圍284285；25時在水中的溶解度為0.125mg/mL。2.3 批量吸附試驗攪拌非流動批量吸附試驗在室溫下（301）采用瓶點法進行，將50mg的多壁碳納米管放入250mL含有100mL E3/EE2所需濃度的玻璃試劑瓶中。每個獨立的玻璃瓶在曲線中代表一個點。在pH=7.0的水相條件下，進行了包含100mL內分泌干擾物的摻料溶液（25，50和75g/L）和50mg多壁碳納米管的實驗研究了接觸時間對吸附的影響。將反應混合物在水平搖床（轉速：200轉/min；pH=7）上進行分別振蕩5、10、15、30min；然后利用動力學和反應機理來研究EDC-MWCNT吸附系統。

10、在2575g/L范圍的內分泌干擾物初始濃度來研究吸附質濃度對吸附反應的影響（MWCNT：50mg/100mL；轉速：200轉/min；接觸時間：15min；pH=7）。在內分泌干擾物的濃度范圍2575g/L、反應混合物振蕩時間為平衡時間15min的條件下進行吸附等溫線的研究(轉速：200轉/min；pH=7)。實驗也研究了pH對吸附的影響，在向反應混合液中加入MWCNT之前，采用0.1moL/L HCl或者0.1moL/L NaOH調節溶液的pH值，以確?；旌弦旱某跏紁H在4.59.5的范圍內變化，然后加入樣品試劑。最后重點研究水相中濃度為50g/L內分泌干擾物的吸附行為（MWCNT：50mg

11、/100mL；轉速：200轉/min；接觸時間：15min）。2.4 雌激素分析采用直接競爭酶聯免疫法（EIA）來檢測水相中殘留的雌激素濃度。在試樣中同時加入E3（抗原）和生物素抗體，E3-酶的結合體限制了反E3（抗體）在微孔板上的結合點。在室溫下孵育60min后，采用酶底物對微孔板進行固相洗滌（室溫下，15min）。對于EE2來說，樣品中EE2-抗原和EE2-酶的結合體限制了反EE2（抗原）在微孔板上的結合點。在室溫下孵育60min后，采用酶底物對微孔板進行固相洗滌。加顯色劑顯色15min，然后利用紫外-可見分光光度計在450nm下測定其吸光度。采用一系列標準溶液來繪制標準曲線，結果表明吸光

12、度與雌激素的總濃度呈反比例關系（相關系數R2=0.9912（E3）；R2=0.9914（EE2），根據上述標準曲線來計算內分泌干擾物的總濃度。根據標準方法中的步驟來測定水相的pH。2.5 循環伏安法分析采用恒電位-恒電流系統利用循環伏安法（CV）研究純凈MWCNT和吸附有內分泌干擾物MWCNT的電化學行為，掃描速度25mV/S，掃描電位0.1+0.6V。所有的電化學測量采用三個電極，工作電極采用覆蓋有MWCNT的鉑電極，對電極采用石墨電極，參比電極采用Ag/AgCl(固體)點極。采用pH=7.4的磷酸鹽緩沖溶液作為電解質溶液。3 結果與討論EE2是由女性卵巢分泌的雌酮經過雌二醇代謝形成的一種合

13、成雌激素代謝物。EE2經常用來替代雌二醇、雌酮或者二者的組合來治療更年期綜合癥。EE2是一種持久性的合成類環境雌激素，在女性口服避孕藥和荷爾蒙替代療法過程中中檢測到其存在，因此在有污水注入的水體環境中普遍存在，同時它在河流體系中能消散長達2040天。EE2能夠與自然產生的雌激素競爭來占據雌激素受體結合點來改變魚類體內介導激素的生物指標，最終導致其內分泌紊亂，主要現象就是卵黃蛋白的合成水平有所提高。研究表明雌三醇（E3）與自身免疫反應的改變有關。3.1 接觸時間的影響E3-MWCNT的吸附圖像在30min的操作周期內通過兩個變量得到（如圖2所示）。在最初10min的接觸時間內，E3的吸附速率相對

14、較高，隨后到達吸附平衡（吸附在這一階段可以忽略）而趨于穩定。大部分的E3在015min的接觸時間內被吸附，因此隨后的實驗采用15min來作為平衡時間。與E3的吸附相比，EE2-MWCNT的吸附圖像存在明顯的差異，在30min操作周期內由兩個變量得到（如圖2b）。最初15min的接觸時間下，EE2的吸附速率相對較高，隨后變低圖2 接觸時間對EDCs在MWCNT上吸附的影響(a)E3的吸附量及吸附分數（b）EE2的吸附量及吸附分數注：接觸時間30min；溫度30；攪拌速度200轉/min；吸附質濃度0.50g/L；pH=7.0。內嵌圖表明了EDCs初始濃度對吸附的影響。但是此時未達吸附平衡。大部分

15、的E3在015min的接觸時間內被吸附。EDC-MWCNT系統間存在快速且瞬時的吸附反應，這可能是由于化學吸附造成的。MWCNT活性表面上的特有官能團可能在操作期間參與了吸附反應。達到平衡后E3的吸附速率有所降低可能是由吸附劑表面可利用的活性位點減少造成的。3.2 雌激素濃度的影響為了研究初始吸附質濃度對吸附的影響，進行了一系列實驗，雌激素的濃度變化范圍為2575g/L，實驗條件：吸附劑量，50mg/100mL；接觸時間15min；溫度，301；震蕩速度，200轉/min；pH=7.0。對于E3來講，當其濃度由25g/L增大到75g/L時，其吸附量穩定增加（如圖2）。EE2也具有類似的現象，較

16、高的底物濃度具有較高的吸附量。研究表明，較高濃度的雌激素在MWCNT上具有較高的吸附速率。3.3 吸附動力學根據水相中EDC濃度得到的動力學模型對于理解吸附機理很有用。由批量吸附實驗（EDC濃度，50g/L；吸附劑量，50mg/100mL；溫度，301；震蕩速度，200轉/min；pH=7.0）得到的動力學數據來擬合動力學模型的線性關系，動力學模型有粒子內擴散模型、準一級反應模型、準二級反應模型。3.3.1 粒子內擴散模型粒子內擴散模型源自于費克第二定律，假定粒子內擴散系數D是常數，并且吸附劑對吸附質的吸附不影響溶液中吸附質的總量，其數學模型如下： （1）由方程（1）可繪出粒子內擴散模型的曲線

17、圖，根據單位質量吸附劑所吸附圖3 EDC-MWCNT吸附系統的粒子內擴散模型圖。（a）E3（b）EE2注：接觸時間15min；溫度，301；震蕩速度，200轉/min；吸附劑量，0.50g/L；pH=7.0的EDC量（qt）與接觸時間的平方根（t0.5）的關系得到（如圖3所示）。如果吸附過程服從粒子內擴散模型，其圖形應該是一條過原點的直線。對于E3和EE2系統來說，直線都不過原點。這表明吸附反應在一定程度上受邊界層效應的控制，而且粒子內擴散也不是唯一的速率控制步驟，吸附速率還可能受其它過程控制。EDC-MWCNT吸附系統的粒子內擴散模型圖呈現幾種線性圖形。一般來說，多條不過原點的直線圖表明有兩

18、個或者更多的速率控制步驟。粒子內擴散模型圖的初始部分可能是由EDC從液相轉移到碳納米管的外表面時的邊界層擴散造成的；圖形的最后部分是由最終的平衡想造成的，粒子內擴散開始變得緩慢是由于水相中可利用的EDC濃度非常低。尤其是對于E3-MWCNT系統在E3濃度為75g/L時來說，中間的直線部分代表了漸增的吸附階段。邊界層擴散有幾個參數控制，包括吸附劑的外表面積，這主要由吸附劑粒子的尺寸、形狀和密度決定；溶液濃度和振蕩速度。吸附劑的顆粒尺寸通常影響吸附速率。在吸附過程中，較大的吸附劑顆粒尺寸能夠造成更大的粒子內擴散阻力。3.3.2 動力學模型首先假定EDC-MWCNT的吸附過程為準化學反應，則可以通過

19、準一級反應方程（方程2）和準二級反應方程（方程3）來確定吸附速率。 （2） （3）Ln（qeqt）與接觸時間t呈現直線關系，表明EDC-MWCNT的吸附過程滿足準一級反應方程（2）（如圖4所示）。采用準一級反應方程來處理動力學數據圖4 準一級動力學模型圖 （a）E3（b）EE2 圖5 準二級動力學模型圖注：溫度，301；震蕩速度，200轉/min；吸附劑量，0.50g/L；pH=7.0能夠得到最合適的動力學模型，對于E3的吸附，線性相關系數R2為0.87630.9801；對于EE2的吸附，線性相關系數R2為0.94430.9985。尤其是當吸附質的濃度較低時，兩種內分泌干擾物的圖形都呈現出較好

20、的線性關系。根據所得圖形的斜率可以計算出準一級反應速率常數k1如下：E3，3.01min1（25g/L）、3.68 min1（50g/L）、4.48 min1（75g/L）；EE2，4.04 min1（25g/L）、3.65 min1（50g/L）、2.78 min1（75g/L）。如果t/qt與時間t呈線性關系，那么吸附過程服從準二級反應方程（方程3）。采用準二級反應方程來處理動力學數據能夠得到最合適的動力學模型（如圖5所示），對于E3的吸附，線性相關系數R2為0.45260.9999；對于EE2的吸附，線性相關系數R2為0.99790.9999。在較低的吸附質濃度條件下，對于兩種內分泌干擾

21、物來說，與由準二級反應方程計算得到的數據相比，吸附平衡數據與準二級反應模型圖相吻合。相反地，EE2-MWCNT的吸附動力學數據很好的與準二級反應方程相吻合而與吸附質E2的濃度無關。根據圖像的斜率可以計算出MWCNT吸附水相中EDCs的準二級反應速率常數k2如下：E3，0.24 min1（25g/L）、0.04 min1（50g/L）、0.11 min1（75g/L）；EE2，0.05 min1（25g/L）、0.08 min1（50g/L）、0.20 min1（75g/L）。3.4 擴散機理進行一項試驗來計算下列系數：孔擴散系數（Dp）和膜擴散系數（Df）可以用來研究EDC被MWCNT吸附時的

22、擴散性質。首先假定吸附劑呈幾何球面型，吸附過程的總反應速率常數能夠和孔擴散系數及膜擴散系數關聯起來，如下列方程（4）和（5）所示： （4） （5）膜擴散系數（Df）的變化范圍如下：0.206108cm2/s0.245108cm2/s（E3）；0.204108cm2/s0.241108cm2/s（EE3）。孔擴散系數(Dp)的變化范圍如下：0.187106cm2/s0.375106cm2/s(E3)；0.352106cm2/s0.375106cm2/s(EE2)。如果膜擴散是速率控制步驟，那么膜擴散系數的值應在106 cm2/s108 cm2/s；如果孔擴散是速率控制步驟，那么孔擴散系數的值應在

23、1011cm2/s 1013cm2/s。通過對上述擴散系數數據的分析發現MWCNT-EDC的吸附系統更傾向于膜擴散控制。3.5 吸附平衡采用平衡等溫線模型來處理實驗所得到的吸附平衡數據。通過模型參數和以熱力學為基礎的假定，我們可以很直觀的了解吸附機理及吸附劑的表面特性和親和性。實驗采用了三種吸附等溫線模型：Langmuir、Freundlich、Dubinin-Radushkevich（D-R），根據上述模型來分析平衡數據。Langmuir等溫線模型主要用于單分子層吸附的研究（方程6）。 （6）平衡數據圖像是一條擬合較好的直線，其線性相關系數R2如下：0.9999（E3）；0.9979（EE2

24、）。這一結果表明數據滿足變形后的Lagmuir模型方程（見圖6）。吸附量Qm單層飽和量；0.52g/g（E3）；5.59g/g(EE2 )和Langmuir常數圖6 EDC-MWCNT吸附系統的Langmuir等溫線（a）E3，（b）EE2注：接觸時間15min；溫度，301；震蕩速度，200轉/min；吸附劑量，0.50g/L；pH=7.0k0.0005g1(E3)；0.0571g1（EE2）。上述兩個參數的數值由直線的斜率和截距計算得到。Langmuir吸附等溫線的基本性質可以用一個無量綱的常數分離因子Rs來表示（見方程7）： （7）K：朗格繆爾常數Co：E3的初始濃度根據分離因子的數值可

25、作出如下判定，當Rs1時表示不利于吸附；Rs=0表示吸附過程是線性的；0Rs1表示有利于吸附；Rs0表示吸附過程是不 圖7 EDC-MWCNT吸附系統的Freundlich等溫線（a）E3（b）EE2注：接觸時間15min；溫度，301；震蕩速度，200轉/min；吸附劑量，0.50g/L；pH=7.0可逆的。由方程（7）處理的數據得到Rs的值在01之間，由此可知，EDC-MWCNT系統間的吸附在自然界是有利于進行的。Frenudlich等溫線模型經常用于非理想條件下的非均相吸附現象，其線性形式的方程（8）如下： （8）Freundlich等溫線模型圖的線性相關系數R2如下：0.9997(E3

26、)；0.9451（EE2）(見圖7)。吸附容量Kf值如下0.96L/g(E3)；2.16 L/g(EE2)，吸附強度1/n值如下：0.77(E3)；4.74（EE2），上述數據由EDC-MWCNT系統的Freundlich等溫線的斜率和截距計算得到。Randushkevich和Dubinin研究表明：吸附特性曲線與吸附劑的多孔結構有關。常數與每摩爾吸附劑的平均吸附自由能有關，這些能量在溶液中從無限遠處轉移到固體的表面，這種能量可以有方程（9）的直線形式模型計算得到。 （9）波蘭尼吸附勢值可通過方程（10）計算得到： (10)參數代表平均自由能，參數E（kJ/moL1）是每摩爾吸附質從溶液中轉移

27、到固體表面時的吸附能，其數值可根據下列關系式計算得到： （11）與Langmuir和Freundlich等溫線模型相比，D-R等溫線模型圖的擬合直線的線性相關系數相對較差（見圖8）。E3-MWCNT吸附系統（R2=0.8509）相比EE2-MWCNT吸附系統（R2=0.7567）能較好的符合D-R等溫線模型。圖 8 EDC-MWCNT吸附系統的D-R等溫線模型（a）E3（b）EE2注：接觸時間15min；溫度，301；震蕩速度，200轉/min；吸附劑量，0.50g/L；pH=7.0從上述EDC-MWCNT吸附系統的等溫線模型可看出，Langmuir等溫線模型就有相對較好的線性關系。這表明：E

28、DC分子在碳納米管表面呈單分子覆蓋層結構；吸附劑表面的結合位點呈均勻分布。3.6 氧化還原條件的影響水相的pH值對雌激素-碳納米管吸附系統具有非常大的影響（如圖9所示）。 圖 9 水相pH對EDC-MWCNT吸附系統的影響（a）E3（b）EE2注：接觸時間15min；溫度，301；震蕩速度，200轉/min；吸附劑量，0.50g/L；pH=7.0pH值能夠改變目標化合物和吸附劑的電離情況，其主要影響羧基官能團和羰基官能團的電離。碳納米管（官能團）上的電荷轉移和溶液中離子形式的EDCs還取決于水相的氧化還原狀況。通過對兩種雌激素的吸附研究發現，在中性條件下，MWCNT的吸附量最大。與此相反，在堿性范圍內，EE2的吸附容量持續不變。尤其是對于EE2來說，酸性條件下的吸附容量要比在堿性條件下低的多。這一現象可用目標化合物的電離來解釋，而這也與EE2的分子印跡聚合物（MIP）吸附系統相一致。對于實際生產目的和吸附操作過程的推廣，對于EE2的吸附來說，最佳水相pH應為7.0。循環伏安法分析研究了純凈多壁碳納米管和吸附有EDCs的多壁碳納米管的電化學行為。由于吸附作用的影響，我們可以看到MWCNT的伏安圖發生了很大