光谱法研究单壁碳纳米管在水环境中的理化行为及性能

摘要

碳纳米管(Carbon Nanotubes CNTs)是近几年来发展起来的一种新型炭材料。由于碳纳米管其独特的物理结构和其独特的热学、力学、电学、光学和磁学等物理化学性能,因此是目前研究最多应用最广的碳纳米材料之一。同时,又由于碳纳米管(CNTs)表面具有极强的吸附性能,因此常被用作有机废水处理领域中有重要应用前景的碳纳米材料,也因此成为科学界研究的一个热点。据报告,目前世界上碳纳米管的年产量均已达上千亿吨。由目前情况可以预测,由于碳纳米管大批量的生产和使用,因此大批量的碳纳米管进入水环境体系也是不可避免的,这也就不可避免的会对人类健康和人类环境造成污染和伤害。但是,目前对碳纳米管等新型碳纳米材料进入水环境体系后的环境行为研究还了解甚少,因此,研究碳纳米材料在水环境中的物理化学行为,及碳纳米材料与水中环境污染物之间的相互作用及其作用机理对碳纳米材料在水处理中的应用和环境风险评价来说都是具有重要意义的。因此,本论文主要开展了单壁碳纳米管在水环境中的物理化学行为及性能研究,重点研究了单壁碳纳米管在水环境的聚集分散行为以及对水环境中的污染物的吸附性能。
　　 本论文首先采用一种天然高分子化合物-腐殖酸(humic acid HA)对水环境中的极易团聚的单壁碳纳米管进行分散研究,实验通过扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HR-TEM)、紫外可见吸收谱(Uv-Vis)、拉曼光谱(Raman)、近红外、拍照、北京同步辐射的X射线光电子能谱(XPS)等方法对分散前后的单壁碳纳米管进行了分析和表征。研究结果发现腐殖酸不仅能够有效地将水环境中极易团聚的单壁碳纳米管分散开,而且具有很好的分散效果,其分散液能稳定长达几个月。该研究对碳纳米材料在水环境中污染物的处理中的应用及环境中风险评价来说都具有很重要的意义。
　　 该论文也讨论了用腐殖酸分散后的单壁碳纳米管和水环境中的金属离子之间的相互作用,该实验结果通过紫外可见吸收谱(Uv-Vis)、拍照以及北京同步辐射的X射线吸收线站(XAFS)进行了表征和分析。实验结果表明,腐殖酸分散后的单壁碳纳米管和水溶液中的金属离子(Fe、Cu、Pb、Cr)之间发生了相互作用,其表现为金属离子价态的变化；并且该论文对腐殖酸分散后的单壁碳纳米管对水环境中的有机环境污染物之一—双酚A的吸附性能也进行了研究,研究结果表明,腐殖酸分散后的单壁碳纳米管对水环境中的有机污染物仍具有很强的吸附性能,和未分散的单壁碳纳米管相比,腐殖酸分散后的单壁碳纳米管其吸附能力并没有降低,相反的其对双酚A的吸附量却增大了。这种超强的吸附性能也为碳纳米管在水环境治理领域作为优异的吸附材料提供了广阔的应用前景。
　　 单壁碳纳米管结构主要由碳原子组成的六圆环卷曲而成的一种无缝、中通、的环形管,其表面是疏水性表面,圆环结构中具有大的离域兀键,因此其化学行为很类似于缺电子的烯烃的性质。由此,可以预测单壁碳纳米管进入水环境后,可以与水环境中的多种有机物(包括水中天然有机高分子化合物-腐殖酸或富里酸等、重金属以及有机污染物-雌激素、苯酚类化合物等)可能发生或存在多种相互作用,如疏水作用、π-π作用、静电相互作用和氢键等,或许正是这些作用,才使得碳纳米管在水环境的治理和应用领域中成为具有重要应用前景和价值的碳纳米材料。