三种有机物对纳米银在饱和多孔介质中沉降释放过程的影响

摘要

由于纳米银拥有良好的催化、导电、传感及广谱抗菌活性，被广泛应用于医疗、食品、纺织、化妆品、水质净化等领域。随着纳米银的大量使用，其在生产、使用以及废弃过程中，难免会以“三废”的形式进入环境，并最终进入到地下水中。地下水的健康状况直接影响到人类生命安全。已有研究报道，纳米银对植物、细菌等将产生不同程度的毒副作用，并可能对人体产生肝毒性、肾毒性、神经毒性等毒性反应。而纳米银毒性效应的发挥与其在环境中的迁移能力有直接的联系。地下水有机物对纳米银的迁移有着复杂的影响机制，会改变污染域的尺寸与分布形状，使得预测纳米银对地下水生态环境的影响极具挑战性。不同有机物对纳米银迁移能力的影响机制不同，系统评价典型环境有机物对纳米银沉降释放等关键迁移过程的控制作用，对饮用淡水、水生生态环境及水质保护均具有重要意义。
　　本文选取聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone，PVP)涂层包覆的纳米银颗粒(PVP-Ag NPs)为研究对象，探索其在石英砂(Quartz sand，QS)及铁氧化物涂层砂(Iron-oxide-coated sand，IOCS)中的吸附迁移特性和相关作用机制，并通过静态混合实验及动态柱实验重点考察了N-乙酰-L-半胱氨酸(N-Acetyl-L-Cysteine，NAC)、十二烷基苯磺酸钠(Sodium dodecylbenzenesulphonate，SDBS)、乙二胺四乙酸（Ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA）对纳米银在饱和多孔介质中沉降释放过程的影响，得到的主要研究结果如下:
　　(1)纳米银在多孔介质中的沉降过程受纳米银内核(Ag core)及PVP涂层共同控制，以PVP涂层的控制作用为主。石英砂带负电，与同样带负电的纳米银内核相互排斥，但纳米银可通过PVP涂层与石英砂表面的Si-O-H键连而发生不可逆沉积;铁氧化物涂层砂带正电，与纳米银内核相互吸引，但由于铁氧化物涂层减少了供PVP键连的石英砂表面，使纳米银沉降效率降低，并且由于静电相互作用产生的沉积是可逆的，所以沉积在铁氧化物表面的纳米银会因为溶液的化学扰动而发生释放。
　　(2)含硫的有机物SDBS/NAC与络合剂EDTA均能破坏纳米银与聚合物涂层之间的键连，使纳米银与涂层分离，粒径减小。但由于SDBS/NAC/EDTA均无法使纳米银表面的涂层完全脱落，所以涂层剥离机制并不能引起沉降在多孔介质表面纳米银的释放。
　　(3) SDBS/NAC可诱导沉降在铁氧化物涂层砂（可逆沉降）表面纳米银的释放。其释放机理为SDBS/NAC通过吸附至铁氧化物涂层表面，中和甚至逆转介质表面电性，增强双电层排斥力，从而诱发纳米银的释放行为。
　　(4)表面活性剂的胶束结构有利于提高SDBS对介质表面的电性调节能力，提高纳米银的释放效率。同时，胶束态SDBS比分子态SDBS更能有效阻塞多孔介质表面供纳米银吸附的点位，使其沉降效率降低。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 研究背景

1．1．1 纳米银概述

1．1．2 纳米银的毒性效应

1．1．3 地下水体中纳米银的来源及环境影响

1．2 国内外研究现状

1．2．1 胶体在多孔介质中的沉降释放机理

1．2．2 纳米材料在多孔介质中沉降释放过程的影响因素

1．3 本文的研究工作

1．3．1 研究目的及意义

1．3．2 研究内容

1．3．3 创新点

2 实验材料与方法

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器与设备

2．3 实验材料

2．3．1 多孔介质填充材料

2．3．2 纳米银悬浮液

2．3．3 背景溶液

2．3．4 有机物

2．4 静态混合实验

2．4．1 SDBS／NAC／EDTA对纳米银颜色及光谱特性的影响

2．4．2 SDBS／NAC／EDTA对纳米银粒径及zeta电位的影响

2．5 动态柱实验

2．5．1 柱子系统

2．5．1 单脉冲实验(SPEs)

2．5．2 共注射实验(CPEs)

2．5．3 三脉冲柱实验(TPEs)

2．6 数据处理及分析

3 结果与讨论

3．1 纳米银的结构特性

3．1．1 纳米银的粒径

3．1．2 纳米银的zeta电位

3．1．3 纳米银的紫外可见吸收光谱

3．2 有机物对纳米银表面特性的影响

3．2．1 SDBS／NAC／EDTA对纳米银颜色及光谱性质的影响

3．2．2 SDBS／NAC对纳米银电位的影响

3．2．3 SDBS／NAC／EDTA对纳米银粒径的影响

3．3 纳米银在饱和多孔介质中的沉降特性

3．4 SDBS对纳米银在饱和多孔介质中沉降释放过程的影响

3．4．1 SDBS对纳米银沉降过程的影响

3．4．2 SDBS对沉积态纳米银的释放机制

3．4．3 不同形态SDBS对纳米银沉降释放过程的影响

3．5 NAC对纳米银在饱和多孔介质中沉降释放过程的影响

3．5．1 NAC对纳米银沉降过程的影响

3．5．2 NAC对沉积态纳米银的释放机制

3．6 EDTA对纳米银在饱和多孔介质中沉降释放过程的影响

4 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

附录

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