天然有机物和SiO2纳米颗粒对碳纳米管吸附Cu(Ⅱ)的影响

摘要

碳纳米管(CNTs)是一种优良的吸附材料,已广泛应用于环境中重金属和有机污染物的吸附治理,是近年来的研究热点。随着碳纳米管的普遍应用,一部分材料不可避免地被释放到水体中,与自然水体中普遍存在的天然有机物(NOM)和无机胶体SiO2发生作用,其表面性质和迁移行为也进而会发生改变。已有很多研究结果表明碳纳米管可吸附环境中的有毒重金属和有机污染物,但从另一方面来说,对于自身具有一定毒性的碳纳米管而言,其对重金属和有机物的吸附进一步加剧了它在环境中的毒性作用,影响环境污染物的迁移转化行为。然而到目前为止,关于NOM的组成和性质对CNTs吸附NOM的吸附量及其对吸附重金属离子的影响的研究少有报道,同时有关环境水体中无机胶体SiO2对CNTs吸附重金属如铜的动力学影响也缺乏相关的研究和探讨。因此,本研究选取重金属Cu(Ⅱ)为目标污染物,以七种NOM模拟水中的天然有机物,以SiO2纳米颗粒模拟水中的无机胶体,研究了NOM和SiO2纳米颗粒对三种不同类型的多壁碳纳米管(MWCNTs)吸附Cu(Ⅱ)的影响和机理。
　　MWCNTs对NOM的吸附结果符合Freundlich等温线模型。不同NOM样品的弗兰德里希常数KF值与NOM的芳香碳含量、SUVA值、I3正相关,与E2/E3值、I1负相关,与I2没有相关性,NOM的芳香性是决定碳纳米管对NOM吸附量的重要因素。MWCNTs吸附NOM的主要作用机理是π-π共轭作用和疏水作用。FTIR和XPS分析结果证明,NOM可促进MWCNTs对重金属Cu(Ⅱ)的吸附,铜吸附量随NOM初始浓度增加而增加。NOM促进铜吸附量增加量与碳纳米管的表面性质含氧量有关,与 NOM样品的羧基碳含量、羧基含量和极性指数正相关,亲水性官能团尤其是羧基发挥着重要作用。
　　CNTs单一吸附体系和 CNTs-SiO2混合吸附体系吸附动力学数据都符合准二级动力学方程。这两种吸附体系中,随吸附剂投入量增加,Cu(Ⅱ)平衡吸附量均减少,初始反应速率提高,吸附平衡时间缩短;投入量相同时,混合吸附体系的初始吸附速率更快,吸附平衡时间比单一吸附体系的更短,CNTs-OH的吸附平衡时间比CNTs-COOH的短。吸附速率常数k2值随吸附剂投入增加而增大;吸附剂投入量相同时,CNTs-SiO2混合吸附体系对应的k2值比CNTs单一体系大,机理是SiO2可以通过氢键和范德华力作用吸附到碳纳米管表面起桥联作用,促进重金属Cu(Ⅱ)的传递,加快吸附过程;比较不同CNTs类型,尽管CNTs-COOH的铜吸附量更大,但CNTs-OH的总体吸附速率比CNTs-COOH快。CNTs-OH主要通过是物理吸附静电引力吸附Cu(Ⅱ),CNTs-COOH主要通过化学吸附包括离子交换和络合作用吸附Cu(Ⅱ),物理吸附比化学吸附反应能垒低容易达到平衡。
　　本研究探讨了NOM的组成和性质以及SiO2纳米颗粒对不同类型碳纳米管吸附Cu(Ⅱ)的吸附规律和影响机理,对全面认识和准确评价碳纳米管在环境水体中的迁移和归宿具有重要的参考价值。

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第一章 概述

1.1 纳米材料简介

1.2 碳纳米管吸附作用研究进展

1.3 吸附动力学研究

1.4 本文的研究工作

第二章 实验材料与方法

2.1 仪器与试剂

2.2 材料分析方法

2.3 碳纳米管吸附NOM的摇瓶实验

2.4 吸附动力学分析方法

第三章 NOM对碳纳米管吸附Cu(Ⅱ)的影响

3.1 碳纳米管和NOM的性质表征

3.2 碳纳米管吸附NOM的研究

3.3 NOM的浓度对铜吸附量的影响研究

3.4 NOM对Cu（Ⅱ）吸附量的影响研究

3.5 本章小结

第四章 SiO2纳米颗粒对CNTs吸附动力学的影响

4.1 CNTs单一吸附体系的吸附动力学

4.2 CNTs-SiO2混合吸附体系的吸附动力学

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间主要成果

致谢

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