水土介质中纳米碳管与纳米ZnO共沉降及其与氧四环素共迁移

摘要

纳米材料在生活和工业中的广泛使用导致环境中纳米材料的浓度、种类均逐渐增加，其产生的环境效应得到了广泛关注。近年来，人们发现随着各种纳米材料不断进入环境，环境中的纳米材料难以再以单一纳米材料形态存在，往往是几种纳米材料共存，并且共存纳米材料将对彼此的环境行为产生强烈的影响;同时环境中的纳米材料也对其他有机污染物的环境行为产生强烈的影响。目前，对两种或两种以上纳米材料在环境中共沉降行为以及纳米材料与污染物在环境中共迁移行为研究较少，他们的共沉降和共迁移机制尚不明确。因此，本文首先研究了氧化多壁纳米碳管(oxidized-multiwalled carbon nanotubes，o-MWCNTs)与纳米ZnO(ZnO nanomaterial，nZnO)在天然水体中的共沉降行为及其机制;其次，研究了不同溶液pH和离子强度条件下o-MWCNTs与抗生素氧四环素(OTC，oxytetracycline)在饱和多孔介质中的共迁移行为及其机制。本论文的研究结果将有利于掌握纳米碳管对其它共存纳米材料和有机污染物在环境中的团聚和迁移行为的作用规律和机制，为准确认识和评估纳米碳管环境风险提供重要的理论依据。
　　主要研究成果如下:
　　(1)天然胶体的存在显著抑制了nZnO-nZnO之间的同质团聚作用，增强了nZnO在天然水体中的悬浮稳定性。在不过膜天然水（含天然胶体）中，高浓度o-MWCNTs增强了nZnO在天然水体中的悬浮稳定性，而低浓度o-MWCNTs却促进了nZnO沉降，这可能归因于nZnO、o-MWCNTs和天然胶体颗粒之间的复杂作用机制，尚需进一步研究。在过膜天然水（天然胶体含量可忽略）中，o-MWCNTs的加入显著增强了nZnO在天然水体中的悬浮稳定性，且o-MWCNTs的浓度越高，对nZnO悬浮稳定性的促进作用越明显。这与颗粒间团聚规律相一致，即颗粒的团聚体粒径和团聚速率均随着o-MWCNTs的加入而减小。
　　(2)在试验的三种离子强度(0.1mM，1.0mM和10mM)和三种pH(3.0，5.5和8.5)条件下，OTC的存在显著增加了o-MWCNTs在石英砂柱中的迁移能力，使得o-MWCNTs的迁出率增加了20％以上。OTC对o-MWCNTs在石英砂中迁移能力的促进作用机理有2个:一方面是由于OTC在o-MWCNTs和石英砂表面的吸附会降低o-MWCNTs和石英砂表面的疏水性，减少了o-MWCNTs在石英砂表面的吸附沉积;另一方面是OTC会与o-MWCNTs竞争石英砂表面吸附位点。
　　(3)在试验的三种离子强度(0.1mM，1.0mM和10mM)和三种pH(3.0，5.5和8.5)条件下，o-MWCNTs对OTC在石英砂柱中迁移行为的影响与电解质溶液pH和OTC分子形态有关。溶液pH为5.5条件下，OTC以中性分子形态存在，相比于OTC单独迁移，o-MWCNTs与OTC共存促进了OTC在石英砂柱中的迁移。这是因为此时o-MWCNTs的存在能够竞争OTC在石英砂柱中的吸附位点，从而促进OTC的迁移。而溶液pH为3.0和8.5时，OTC分别以阳离子和阴离子形态存在OTC单独迁移与o-MWCNTs和OTC共存时OTC的迁移没有显著差异。改变淋洗顺序实验表明此时o-MWCNTs很难与OTC竞争石英砂表面的吸附位点。

目录

摘要

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 纳米材料水体中的团聚与沉降行为

1．2．2 DLVO理论

1．2．3 纳米材料与污染物在多孔介质中的共迁移

1．3 论文的研究思路及研究内容

1．4 创新点

1．5 技术路线图

第2章 天然水体中氧化纳米碳管对纳米氧化锌颗粒团聚与沉降行为的影响

2．1 引言

2．2 材料和方法

2．2．1 天然水采集与性质测定

2．2．2 纳米材料

2．2．3 nZnO和o-MWCNTs在天然水中沉降实验

2．3 理论计算(Theory)

2．3．1 DLVO理论

2．3．1 团聚速率

2．4 结果与讨论

2．4．1 天然水和纳米材料的性质

2．4．2 nZnO和o-MWCNTs在天然水体中的自沉降过程

2．4．3 nZnO和o-MWCNTs在天然水体中的共沉降过程

2．5 本章小结

第3章 氧化多壁纳米碳管与氧四环素在饱和石英砂中共迁移行为及机制

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 石英砂

3．2．2 o-MWCNTs悬浮液和OTC溶液配置

3．2．3 柱淋溶实验方法

3．2．4 不同pH和离子强度条件下o-MWCNTs与OTC共迁移实验

3．2．6 改变淋洗顺序对o-MWCNTs和OTC迁移行为的影响实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 o-MWCNTs在石英砂中的单独迁移行为

3．3．2 OTC对o-MWCNTs在石英砂中迁移行为的影响

3．3．3 OTC对o-MWCNTs在石英砂中迁移行为的作用机理探讨

3．3．4 OTC在石英砂中的单独迁移行为

3．3．5 o-MWCNTs对OTC在石英砂中迁移行为的影响

3．3．6 o-MWCNTs对OTC在石英砂中迁移行为的作用机理探讨

3．4 本章小结

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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