土壤中无机纳米颗粒提取、表征及其重金属吸附研究

论文摘要

基于环境纳米科学的迅速发展和研究,本文通过对土壤中纳米颗粒的特性分析,建立起土壤无机纳米颗粒提取表征的方法体系,研究土壤纳米颗粒的形成过程和环境行为,旨在为开发纳米材料修复环境污染应用提供理论依据,也为推动纳米土壤科学的建立和发展。建立了筛分-沉淀-离心-超声结合手段提取土壤无机纳米颗粒的方法。利用建立的方法提取红壤、黑土和黑垆土中的纳米颗粒,粒度分析（PSD）结果表明三种样品粒度分布都呈正态分布趋势,提取的颗粒粒径基本都小于100 nm。研究采用高分辨透射电镜（HR-TEM）和x射线能谱仪（EDS）为核心技术,结合激光纳米粒度仪、XRD和磁化率仪等手段,表征了土壤中无机纳米颗粒的大小、形貌、矿物相和结晶状况以及元素组成等关键信息。XRD表征了样品的矿物相及晶格信息。不同气候条件使得三种土壤风化程度存在差异,导致了三种土壤在特征矿物上的区别,铁、铝氧化物晶体明显的特征衍射峰值得关注。电镜表征结果揭示了土壤中纳米颗粒在形貌上的多样性和异质性。形态包括球形、条状、棒状、絮状及不规则状等,粒径在～10-100 nm之间不等。土壤无机纳米颗粒由于巨大的比表面积和高表面能,展示了易与其他颗粒聚集的倾向,多形成核（单晶,多晶核）-壳（无定形态或氧化物包覆表面）结构。Fe元素主要以铁氧化物及Fe-多元素复合结构存在,后一种结构占据主要地位。利用结晶区域的高分辨图像计算晶格间距,主要有0.266～0.277 nm及0.333～0.334nm两个结果,可以判断分别为赤铁矿或磁赤铁矿,以及硅氧化物。土壤无机纳米颗粒对重金属Cd的吸附可利用Freundlich和Henry等温方程描述。吸附能力强弱顺序为黑垆土>红壤>黑土,其中黑土显著低于另外两种土壤。成土条件的不同,造成了三种纳米颗粒中游离氧化铁的含量及氧化铁结晶形态的区别,可能是影响吸附能力的主要因素。此外,三种土壤无机纳米颗粒所带的可变电荷量及电性不同,也会对吸附反应产生影响。比较吸附率,由高到低是红壤之黑垆土>黑土>人工合成氧化铁；吸附率均大于96%,可认为在该实验条件下,纳米颗粒能基本去除重金属污染。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 环境纳米颗粒概述
• 1.1.1 环境纳米颗粒及其特性
• 1.1.2 土壤环境中的纳米颗粒及其环境行为
• 1.2 环境纳米颗粒提取、表征理论及技术手段
• 1.2.1 纳米颗粒分散提取原理
• 1.2.2 纳米颗粒表征的主要技术手段
• 1.3 环境纳米应用及其生态风险
• 1.3.1 纳米颗粒（材料）的环境保护及污染防治应用
• 1.3.2 纳米颗粒（材料）应用的环境安全性
• 1.4 研究目标与内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 2 研究材料与方法
• 2.1 研究对象
• 2.2 试剂与设备
• 2.2.1 主要实验试剂
• 2.2.2 实验设备和仪器
• 2.3 技术路线
• 2.3.1 纳米颗粒分散提取方法
• 2.3.2 土壤无机纳米颗粒对重金属的吸附作用
• 3 土壤无机纳米颗粒的表征
• 3.1 无机纳米颗粒粒度分布（Particle-size distribution,PSD）
• 3.2 无机纳米颗粒矿物相及磁性表征
• 3.2.1 矿物相及晶格信息、分析—XRD
• 3.2.2 环境磁学表征—双频磁化率仪
• 3.3 无机纳米颗粒电镜表征
• 3.3.1 形貌和化学组成辅助分析—FSEM（场发射扫描电镜）
• 3.3.2 透射电镜表征
• 3.3.3 表征结果综合分析
• 3.4 本章小结
• 4 土壤无机纳米颗粒对重金属的吸附作用
• 4.1 无机纳米颗粒重金属吸附机理探讨
• 4.1.1 与粒径相关的无机纳米颗粒的吸附性能
• 4.1.2 与聚集相关的纳米颗粒的吸附性能
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 人工合成模式矿物表征
• 4.2.2 吸附实验分析
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 5.3 建议与展望
• 参考文献
• 作者简历