水环境中重金属的新型被动采样监测技术研究

摘要

被动采样技术(Passive Sampling)通过连续采集某段时间内环境介质中的污染物来客观地反映一定时间内污染物在环境中的存在情况，是一种有效的环境监测方法。重金属类污染物由于在水体中分布广泛且具有较大的毒性，其监测工作尤为重要。目前，针对水体中重金属污染的被动采样技术较为单一，采样器接收相材料有待进一步拓展。
　　 本研究合成了一系列壳聚糖-二氧化硅凝胶，并以重金属汞(Hg)为目标污染物，对其在凝胶颗粒上的吸附动力学，以及pH、固水比、共存离子和壳聚糖质量分数的影响进行了研究。研究表明：(1)Hg在壳聚糖凝胶颗粒上的吸附交换量在30 min左右接近饱和吸附量的95％左右，之后随着时间的增加吸附速率逐渐减小，当吸附3h时基本达到吸附平衡。(2)汞、镉离子共存时，壳聚糖凝胶颗粒对汞吸附量明显降低，当镉离子(Cd2+)的初始摩尔浓为0.1 mol/L时，吸附平衡时凝胶中Hg的吸附量降低67％。钙离子(Ca2+)的加入对Hg的吸附也存在抑制作用，说明共存离子对Hg在凝胶中的富集存在竞争作用。(3)溶液pH和凝胶中壳聚糖含量对于Hg的富集也有显著影响。pH为5时最有利于Hg在凝胶颗粒上的吸附；在壳聚糖质量分数<2％时，壳聚糖的含量增加会显著提高Hg的富集量，而当质量分数继续升高到5％时，壳聚糖含量的增加并不导致Hg富集浓度的增强。
　　 在筛选出适合的壳聚糖凝胶基础上，构建了壳聚糖凝胶被动采样装置，并在实验室微宇宙体系中对Hg的被动采样动力学，以及含钙凝胶的矿化对被动采样的影响作用进行了系统研究。研究发现：无矿化过程时，在含钙壳聚糖凝胶被动采样装置，Hg在12h时达到平衡富集量的95％，而在24 h以后富集则达到平衡；但对于在Na2CO3溶液中预先矿化48 h的含钙壳聚糖凝胶，其对Hg的富集能力基本丧失，表明含钙的壳聚糖凝胶引导的矿化行为，可以抑制凝胶对Hg的富集。
　　 根据含钙壳聚糖凝胶矿化过程对Hg富集的影响，初步设计出一种以不含钙凝胶为接受相、以含钙凝胶为控制相的，具有时间控制效果的两段式凝胶被动采样装置，分别在3种实验条件下(先矿化后吸附，先吸附后矿化和矿化吸附同时进行)的实验结果表明：(1)先将采样装置矿化48 h后再进行吸附实验时，接受相的吸附能力都发生降低的现象，说明矿化作用可以使壳聚糖凝胶的吸附能力降低甚至丧失。(2)被动采样装置先吸附48 h，而后加入矿化液进行矿化，接受相凝胶中的Hg离子浓度几乎不发生改变，说明控制相的含钙凝胶完全矿化之后，可以中止接受相对Hg的富集或释放。(3)在矿化与Hg富集同时进行时，在实验的前12 h内，接受相凝胶中Hg的浓度逐渐增加，但平衡浓度低于无矿化对照组的平衡浓度，这表明矿化过程会控制Hg的被动富集。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 重金属污染现状

1.1.1 Hg的物理化学性质

1.1.2 Hg的危害性

第二节 被动采样技术

1.2.1 被动采样技术定义

1.2.2 被动采样技术的发展现状

1.2.3 被动采样技术的发展前景

第三节 壳聚糖凝胶仿生矿化技术

1.3.1 壳聚糖性质及结构

1.3.2 仿生矿化技术

第四节 本论文的研究背景和内容

第二章 壳聚糖凝胶的制备、表征及汞的前处理方法

第一节 引言

第二节 材料与方法

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 凝胶材料的制备及矿化方法[65]

2.2.3 凝胶材料的表征方法

2.2.4 凝胶中汞的前处理方法

2.2.5 数据处理与分析

第三节 结果与讨论

2.3.1 壳聚糖凝胶的性质

2.3.2 壳聚糖凝胶红外表征

2.3.3 壳聚糖凝胶扫描电镜表征

2.3.4 标准曲线的绘制

2.3.5 前处理方法的洗脱回收率

2.3.6 质量控制实验

第四节 本章小结

第三章 壳聚糖凝胶颗粒对重金属的吸附行为研究

第一节 引言

第二节 材料与方法

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 凝胶材料的制备及矿化方法

3.2.3 凝胶中重金属的前处理方法

3.2.4 吸附实验设计

3.2.5 数据处理与分析

第三节 结果与讨论

3.3.1 凝胶颗粒的吸附动力学分析

3.3.2 pH值对凝胶吸附效果的影响

3.3.3 凝胶/水固液比对汞富集的影响

3.3.4 共存离子对吸附效果的影响

3.3.5 不同壳聚糖分数的凝胶对吸附效果的影响

第四节 本章小结

第四章 壳聚糖凝胶对溶液中Hg的被动采样效果及矿化过程对其的影响研究

第一节 引言

第二节 材料与方法

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 凝胶材料的制备及矿化方法

4.2.3 凝胶中重金属的前处理方法

4.2.4 矿化富集实验设计

4.2.5 数据处理与分析

第三节 结果与讨论

4.3.1 壳聚糖凝胶和矿化壳聚糖凝胶对Hg的被动富集动力学

4.3.2 矿化时间对被动富集效果影响

4.3.3 不同含钙量凝胶矿化对被动富集效果的影响

4.3.4 富集矿化记录式采样器的初步验证

第四节 本章小结

第五章 结论与研究展望

第一节 结论

第二节 研究特色与创新点

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间完成的学术科研论文