纳米羟基磷灰石及其携带重金属铜在石英砂柱中迁移研究

论文摘要

由于纳米材料具有特有的光学、医学、机械学和化学特性，因此应用前景十分广泛。纳米羟基磷灰石是纳米大家族中重要的一员，由于其对金属离子有较强的吸附固定能力，已被用于修复受金属污染(Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+、Co2+等)的土壤或地下水，但对用纳米羟基磷灰石修复后的土壤中重金属的迁移以及归趋的关注很少。而重金属离子吸附在纳米羟基磷灰石上很难从其表面解离，一旦土壤溶液化学性质发生改变（如降雨、降雪等天气变化引起土壤溶液离子强度降低），将引起易负载在纳米羟基磷灰石发生共迁移现象，造成潜在的环境风险。选择石英砂填充柱模拟饱和体系，通过测量纳米羟基磷灰石胶体悬液的zeta电位和出流比来考察悬液化学性质（腐殖酸浓度、离子强度、离子组成和不同Cu浓度条件）对纳米羟基磷灰石在饱和填充柱中迁移规律的影响。结果表明：随着悬液腐殖酸浓度的增加，纳米羟基磷灰石的zeta电位逐渐增加（越来越负），吸附效率相应降低。当溶液中腐殖酸浓度由0增加至10mg/L时，纳米羟基磷灰石的zeta电位由-15mV增加至-55mV，吸附效率由1.0减小为0.012。这主要是由于吸附在纳米羟基磷灰石上的腐殖酸通过静电排斥和空间位阻效应增加悬液的稳定性，因此，出流比相应增加。随着本体悬液pH增加，由于纳米羟基磷灰石解质子化使其zeta电位越来越负，弥散稳定性增加使其出流比相应增加。伴随着本体悬液离子强度的增加，纳米羟基磷灰石的zeta电位逐渐降低，这主要由高离子强度压缩其双电层所致。二价阳离子(Ca2+和Cu2+)的电荷屏蔽效应高于单价阳离子，因此其对纳米羟基磷灰石zeta电位的影响要明显高于单价阳离子。当本体悬液的离子强度由1增加至100mmol/L NaCl时，纳米羟基磷灰石的zeta电位从-51mV降低至-13mV。当本体悬液中Ca离子浓度由0.1增加至5mmol/L时，其zeta电位由-50mV降低至-22mV。由于二价Ca2+离子桥连纳米羟基磷灰石胶体使其发生团聚，因此其出流比随着悬液Ca2+浓度增加而降低，同时，由于Cu2+离子强烈竞争纳米羟基磷灰石上的Ca2+并与其发生表面络合反应，因此，Cu2+离子对纳米羟基磷灰石迁移能力的影响要大于Ca2+离子。离子对纳米羟基磷灰石迁移能力大小影响的顺序为：Cu2+> Ca2+> K+。其次，考察孔隙水水流流速、石英砂平均粒径和不同比例铁氧化物包被对纳米羟基磷灰石迁移能力的影响。纳米羟基磷灰石的出流比随着孔隙水流速增加而增加。这与经典的胶体过滤理论吻合。因为孔隙水水流流速增加会降低胶体与胶体以及胶体与多孔介质之间的碰撞效率，相应地降低胶体的沉降效率。随着石英砂平均粒径增加，出流液中纳米羟基磷灰石的浓度相应增加。这主要是因为随着粒径增加，胶体的“诱捕效应”相应降低。铁氧化物包被的石英砂对纳米羟基磷灰石迁移能力的影响很大。这些铁氧化物包被提供化学异质性吸附位点，能够强烈地吸附带负电荷的纳米羟基磷灰石胶体，因此，纳米羟基磷灰石的出流比随着铁氧化物包被比例增加而降低。最后，考察不同Cu浓度以及铁氧化物包被石英砂比例对纳米羟基磷灰石携带Cu共迁移能力的研究。纳米羟基磷灰石携带Cu的浓度随着本体悬液Cu浓度增加而降低。这是因为随着本体悬液Cu浓度变化纳米羟基磷灰石和Cu的结合能力发生变化引起的。随着铁氧化物包被石英砂的比例增加，负载在纳米羟基磷灰石的Cu的含量急剧降低。当铁氧化物包被比例由0增加至36%，纳米羟基磷灰石携带Cu共迁移比例由31.8%急剧降低至6.3%，这主要是因为表面带负电荷的纳米羟基磷灰石-Cu复合体吸附在正电荷的铁氧化物包被物所致。研究结果对认识纳米材料以及纳米材料携带污染物在地下环境中的迁移机制及评估其环境风险提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 文献综述
• 1 纳米材料的特性
• 2 纳米材料在环境领域中的应用
• 3 纳米材料在环境中的迁移行为
• 4 环境中铜的危害及污染的主要来源
• 5 国内外纳米材料治理污染物的研究进展
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 主要仪器设备
• 2.3 玻璃层析柱的参数
• 2.4 实验装置
• 2.5 不同环境因子对纳米羟基磷灰石在饱和填充柱中迁移的影响
• 2.5.1 环境因子对纳米羟基磷灰石的ζ电位影响
• 2.5.2 腐殖酸浓度对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 2.5.3 pH 对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 2.5.4 不同离子强度对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 2.6 不同环境因子对纳米羟基磷灰石携带重金属铜共迁移的研究
• 2.6.1 纳米羟基磷灰石对铜的吸附平衡试验
• 2.6.2 纳米羟基磷灰石和铜复合悬液制备
• 2.6.3 不同铜浓度对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 2.6.4 流速对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 2.6.5 孔隙介质粒径对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 2.7 修饰的石英砂对纳米羟基磷灰石携带铜共迁移的研究
• 2.7.1 修饰的石英砂柱对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 2.7.2 修饰的石英砂的比例对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 2.7.3 流速对修饰的石英砂柱中纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 2.8 分析方法
• 2.8.1 纳米羟基磷灰石浓度的测定
• 2.8.2 铜浓度测定
• 2.8.3 填充柱参数确定
• 2.9 数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 纳米羟基磷灰石在饱和石英砂柱中的迁移的影响
• 3.1.1 环境因子对纳米羟基磷灰石的ζ电位影响
• 3.1.2 腐殖酸对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 3.1.3 pH 对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 3.1.4 不同离子强度对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 3.2 不同环境因子对纳米羟基磷灰石携带铜共迁移的影响
• 3.2.1 纳米羟基磷灰石对铜的吸附平衡试验
• 3.2.2 不同浓度的铜对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 3.2.3 流速对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 3.2.4 孔隙介质粒径对纳米羟基磷灰石携带铜迁移的影响
• 3.3 修饰的石英砂柱对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 3.3.1 石英砂修饰
• 3.3.2 修饰的石英砂比例对纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 3.3.3 流速对修饰的石英砂柱中纳米羟基磷灰石迁移的影响
• 3.4 铜浓度对纳米羟基磷灰石携带铜共迁移的研究
• 3.4.1 铜浓度对纳米羟基磷灰石和石英砂ζ电位的影响
• 3.4.2 铜浓度对纳米羟基磷灰石携带铜共迁移的影响
• 3.5 修饰的石英砂比例对纳米羟基磷灰石携带铜共迁移的影响
• 4 讨论
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介