KIST研究团队用PET废瓶开发高效吸附材料去除水中抗生素

韩国的抗生素使用率很高,是一个很容易出现多重耐药细菌(即所谓的“超级细菌”)的国家。据韩国环境部称,在家畜废水处理设施、污水处理厂、河流中都检出了抗生素。

多重耐药菌(multiple resistant bacteria)是指有多重耐药性的病原菌。又称超级细菌Multiresistance可以翻译成多药耐药性、多重耐药性、其定义为一种微生物对三类(比如氨基糖苷类、红霉素、β-内酰胺类)或三类以上抗生素同时耐药,而不是同一类三种。

韩国科学技术研究院宣布,韩国科学技术研究院水循环研究中心的研究人员郑京元和崔在宇带领的研究小组,利用PET废瓶开发出了一种高效吸附材料。这种新材料有望帮助解决抗生素滥用引起的环境问题以及有效去除饮用水中残留的抗生素。

KIST研究团队用PET废瓶开发高效吸附材料去除水中抗生素
KIST研究小组从PET废液瓶合成了高效吸附材料,该材料可以有效去除水中抗生素。

目前,最有效去除水中抗生素的方法是利用多孔碳复合材料,通过热解金属-有机框架(MOF)合成的多孔碳复合材料。多孔碳复合材料可以吸附水中的抗生素,从而去除抗生素。但是,由于一般用于合成MOF的有机配体非常昂贵,其成本是该方法通过量产广泛、实际应用的主要障碍。

金属-有机骨架(MOF)。金属一有机框架材料(MOFs)是近十年来发展迅速的一种配位聚合物,具有三维的孔结构,一般以金属离子为连接点,有机配位体支撑构成空间3D延伸,是沸石和碳纳米管之外的又一类重要的新型多孔材料,在催化、储能和分离中都有广泛应用。目前,MOF已成为无机化学、有机化学等多个化学分支的重要研究方向。金属-有机骨架材料(Metal-OrganicFrameworks)是指过渡金属离子与有机配体通过自组装形成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料。它具有高孔隙率、低密度、大比表面积、孔道规则、孔径可调以及拓扑结构多样性和可裁剪性等优点。

有机配体:合成MOF的必要元素。作用是连接金属离子。

为了开发出更具成本效益的解决方案,KIST研究小组将目光投向了人们日常生活中使用的PET瓶。PET是一种由乙二醇和对苯二甲酸聚合而成的高分子化合物,后者作为合成MOF的有机配体。KIST研究小组从PET废瓶中提取高纯度的有机配体,并利用其合成了一种高效吸附材料,可以有效地去除水中的抗生素,对环境和经济效益显著。

在该吸附材料的研制过程中,采用碱水解法引发中和反应,从而生产出高纯度的对苯二甲酸。为了最大限度地提高碱水解过程效率,研究团队引入了超声辅助相转移催化工艺。通过优化该工艺,研究团队成功提取出100%的高纯度对苯二甲酸,并将其用于开发多孔碳复合材料。为了使吸附材料具有磁性,他们使用了铁基MOF作为前体。通过这种方式,该团队能够开发出一种生态材料,在吸附过程之后,利用外部磁场,可以很容易地从混合物中分离出来。

相转移催化剂(Phase transfer catalyst,PTC)是可以帮助反应物从一相转移到能够发生反应的另一相当中,从而加快异相系统反应速率的一类催化剂。

KIST的研究团队测试了多孔碳复合材料在吸附水中的 “四环素”的效率。试验表明,在一般水的条件下(pH值为6),新开发的材料能在90分钟左右的时间内100%去除 “四环素”,吸附率为671.14毫克/克,比之前开发的吸附剂的吸附率要高。为了评估多孔碳复合材料的可重复使用性,共进行了5次吸附-解吸过程。即使在反复使用后,该材料仍保持了90%的吸附性能,表明其稳定性高,在水处理方面具有广泛的适用性。

这种多孔碳复合材料利用废旧塑料防止环境污染,即使反复使用也能保持较高的吸附性,因此适用于广泛的水处理领域。通过这项研究开发出的多孔碳复合材料可适用于从环保材料到能源材料等各个领域,预计很快就会作为一种高附加值的环保材料得到高度重视。

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