还原氧化石墨烯在NOM表面的沉积特性及混凝去除研究

摘要

随着石墨烯系纳米材料（graphene family nanomaterials，简称GFNs）的发现、生产及广泛应用，其进入水环境系统的几率大大增加，可能会对水环境系统造成不利影响。但目前关于GFNs在水环境中的迁移转化行为及其对水环境系统的潜在污染的了解较少。为了进一步明确GFNs在水环境中的迁移转化行为及其对水生态系统的影响，研究以GFNs中的还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，简称rGO)为对象，首先主要利用耗散型石英晶体微天平(quartz crystal microbalance with dissipation，简称QCM-D)技术分析手段，分别考察了不同离子强度下rGO在天然有机物腐殖酸（HA）和富里酸（FA）表面的沉积特性并分析了其作用机理，并与其在有利条件PLL表面的沉积特性进行了对比。其次以铜绿微囊藻作为受试对象，首次探究了rGO进入水环境后对水生生物的影响；并在调查研究的基础上，以聚合氯化铝（PAC）作为混凝剂对rGO水处理过程中的混凝去除进行了初步探索。
　　利用QCM-D手段考察了pH为7.4、不同浓度的NaCl和CaCl2电解质溶液下rGO在HA和FA表面的沉积。表面总沉积量、初始沉积率和沉积效率的研究结果一致表明：随着NaCl离子强度的增大，rGO的沉积作用呈现先增加后降低，低离子强度下（<25mM）Na+的电荷屏蔽作用导致沉积作用的增加，符合经典的DLVO理论；高离子强度下（>25mM）rGO的脱稳聚集导致其沉积作用的降低。二价阳离子Ca2+对rGO沉积的影响比一价阳离子Na+大。与HA相比，rGO在FA表面的沉积作用更强，但均比在PLL表面弱。这是由于FA表面具有相对较高含量的羧基官能团，能够与rGO表面少量的含氧基团发生作用。另外，HA对应较高的|ΔD/Δf|值表明，与FA相比，rGO在HA表面形成的沉积层更松散。
　　另外，以铜绿微囊藻作为受试对象，首次探究了rGO对水生生物的影响。研究从铜绿微囊藻密度、表面形态、及叶绿素a含量变化进行了分析，结果表明rGO能够通过遮光效应和物理接触损伤效应抑制铜绿微囊藻的生长，对水生生态系统构成潜在污染。
　　在分析了rGO对水环境系统潜在污染的基础上，进一步对rGO纳米颗粒从水系统中的去除做了初步的研究，并考察了HA对rGO颗粒混凝去除的影响，确定了两种条件下混凝剂的最佳投加量。初步研究结果表明，没有HA存在的条件下，聚合氯化铝的最佳投加量仅为3mg/L，混凝作用机制主要为吸附架桥作用；HA存在情况下，聚合氯化铝的最佳投加量达40mg/L，其主要混凝作用机制为电荷中和。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 GFNs及其他纳米材料在水环境中的迁移转化

1.3 GFNs潜在环境污染的研究进展

1.4 QCM-D在纳米材料环境行为研究中的应用

1.5 混凝工艺去除水中纳米材料的研究现状

1.6 课题研究的意义、内容及技术路线

第2章实验材料与方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2 溶液的配制

2.3 沉积实验研究方法

2.4 rGO对铜绿微囊藻影响研究方法

2.5 混凝实验方法

第3章 rGO在HA表面的沉积特性

3.1 引言

3.2 rGO的表征分析

3.3 离子强度对rGO在HA表面沉积特性的影响

3.4 本章小结

第4章 rGO在FA表面的沉积特性

4.1 引言

4.2 离子强度对rGO在FA表面沉积特性的影响

4.3 rGO表面沉积行为的综合比较

4.4 本章小结

第5章 水中rGO对藻的影响及混凝去除初探

5.1 引言

5.2 rGO对铜绿微囊藻生长状况的影响

5.3 PAC对rGO的混凝去除

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及其他研究成果

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