环境纳米材料的制备及污染物去除研究

发布时间：2020-02-10 16:56

【摘要】：随着工业的迅速发展,大量污染物被排放到环境中,引发了众多环境问题,例如土壤、水和大气污染。其中水污染问题尤为突出。水体中污染物种类繁多,常见污染物包括重金属、放射性核素以及有机染料等。由于它们的高毒、稳定和难降解等特性,这些污染物对生态环境和人类健康构成了极大威胁。因此,如何有效处理水体中的污染物成为环境领域的重要研究课题。近年来,随着纳米技术的兴起与发展,各种纳米材料被广泛应用于环境污染物的处理。与传统材料相比,纳米材料具有比表面积大以及活性位点多等优点,被认为是处理众多污染物的良好试剂。此外,相对于单一组成的纳米材料,多种纳米材料复合而成的纳米复合材料在污染物去除方面通常具有更优越的性能。本论文成功合成多种具有不同纳米结构的材料和复合材料,并且针对上述三种常见污染物,系统研究了这些纳米材料对水体中单一污染物和多元污染物的去除性能和机制。本文具体研究内容如下:1.放射性碘同位素(~(129/131)I)是铀和钚核裂变的一种主要产物,在放射性废水中最为常见。此外,实际放射性废水中I~-通常与其它放射性核素(如~238U、~137Cs和~90Sr等)共存,而不同放射性核素具有不同的物理和化学性质,这使得放射性废水的处理更为复杂和更具挑战性。本实验采用简便的一步法,同时实现了Mg(OH)_2的合成和Ag_2O的沉积,成功制备Ag_2O@Mg(OH)_2纳米复合材料。并且,我们还系统研究了该纳米复合材料对I~-的去除性能。结果表明该纳米复合材料对I~-的去除容量高达368.6 mg/g,且10 min内即可将200 mg/L的I~-去除完全。并且,该纳米复合材料在广泛的pH范围内对I~-均有很好的去除效果,这克服了前人报道的Ag20基纳米复合材料只能在有限的pH范围内使用的缺陷。此外,该纳米复合材料对I~-的去除还具有高度的选择性,几乎不受外界其它离子(如Cl~-、SO_4~(2-)、C0_3(2-)和NO_3~-)的干扰,因此在放射性废水处理中具有更大的实际应用价值。另一方面,考虑到实际放射性废水中I~-通常与UO_2(2+)共存,我们还考察了Ag_2O@Mg(OH)_2纳米复合材料对水体中I~-和UO_2(2+)的同时去除能力。实验结果显示,该纳米复合材料在同时去除I~-和UO_2(2+)方面表现出极好的去除效果。由于制备方法简单及对放射性核素I~-和UO_2(2+)极好的同时去除性能,Ag_2O@Mg(OH)_2纳米复合材料能够潜在地应用于实际放射性废水中的多种放射性核素的去除。2.除了放射性核素的混合污染外,水体中重金属和染料的混合污染也一直是环境领域关注的热点问题之一。本实验以水体中最为常见的重金属Cd(Ⅱ)和阴离子偶氮染料刚果红(CR)为模型污染物,通过简便的注射法,成功制备由粒径约为20 nm的纳米颗粒聚集而成的球霰石微球,并系统研究了该球霰石微球对Cd(Ⅱ)和CR的同时去除性能和机制。实验结果显示,在单一的Cd(Ⅱ)或者CR存在下,球霰石对Cd(Ⅱ)和CR的最大去除量分别高达984.5和89.0 mg/g。然而,在Cd(Ⅱ)和CR共存的二元体系中,共存的CR对Cd(Ⅱ)的去除有明显影响:低浓度的CR(100 mg/L)明显促进球霰石对Cd(Ⅱ)的去除,而高浓度CR( 100 mg/L)则抑制球霰石对Cd(Ⅱ)的去除。相比之下,共存的Cd(Ⅱ)对球霰石去除CR几乎没有影响。二元体系中Cd(Ⅱ)和CR同时去除机制涉及一系列过程,包括球霰石对染料CR的优先吸附,CR对球霰石微球的稳定,被吸附的CR分子与Cd(Ⅱ)的络合,以及球霰石向菱镉矿的沉淀转化。由于Cd(Ⅱ)和CR分别是水体中常见的无机重金属和有机染料污染物,本研究为碳酸盐同时去除重金属和染料提供了一个新思路,并且相关成果有望应用于含多种污染物的实际废水处理中。3.铀是核工业的主要燃料,也是放射性废水中最为常见的放射性核素,其具有很强的毒性和致癌性。本实验以海泡石为负载基底,采用方便快捷的微波辅助法,首次实现了Mn_3O_4纳米颗粒在海泡石上的有效负载,并对Mn304@海泡石纳米复合材料去除放射性核素U(Ⅵ)的性能和机制进行了系统研究。结果表明,该纳米复合材料对U(Ⅵ)的最高去除量高达85.5 mg/L,且20 min内即可将20 mg/LU(Ⅵ)去除完全。此外,在海泡石和Mn_3O_4纳米颗粒去除U(Ⅵ)的实验中发现,这两者对U(Ⅵ)均具有一定的去除能力,分别为34.8和69.3 mg/g,因此海泡石和Mn_3O_4的结合对U(Ⅵ)具有协同去除作用。通过XPS分析,U(Ⅵ)的有效去除主要归功于Mn_3O_4@海泡石纳米复合材料中Mn-O键和Si-OH键与U(Ⅵ)离子基团形成的≡Mn-O-UO2和三Si-O-UO2络合结构。总的来说,由于简单快捷的制备方法以及对U(Ⅵ)极好的去除效果,Mn_3O_4@海泡石纳米复合材料可潜在地应用于放射性废水中U(Ⅵ)的去除。
【图文】：

纳米,纳米材料,多级结构,花球

逦逦逡逑范围内。纳米材料按维数可分为四大类（Ｔｉｗａｒｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１２）：逡逑（１）零维纳米材料（０Ｄ）：材料的三维尺度均在纳米尺度范围之内，如原子团簇、逡逑量子点和纳米颗粒（Ｔｉｗａｒｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１２；邋Ｌｕｏ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１３；邋Ｔｈａｎｈ邋ｅｔ邋ａｌ．，，２０１４）等；逡逑（２）—维纳米材料（ＩＤ）：材料的三维空间中有两维在纳米尺度范围内，如纳米逡逑线、纳米棒、纳米带和纳米管（０１＾￡］３邋６１乩，２００５；＼丨３邋６１吐，２０１０）等；逡逑（３）二维纳米材料（２Ｄ）：材料的三维空间中有一维在纳米尺度范围内，如纳米逡逑片、纳米膜和纳米板（Ｓｉｒｉｌ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００９；邋Ｍａｎｎ邋ａｎｄ邋Ｓｋｒａｂａｌａｋ．，邋２０１１）等；逡逑（４）三维纳米材料（３Ｄ）：由上述纳米材料为基本单元构成的具有多级结构的块逡逑体，例如纳米片组装而成的花球（Ｌｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１３）、纳米棒组装而成的空心微球逡逑（Ｊｉａｎｇｅｔａｌ．，２０１４＾。逡逑目前，己经有大量不同形貌和结构的纳米材料被成功合成（图１．１），并广泛逡逑应用于环境、化学以及材料等多个领域。逡逑

照片,埃洛石,晶体结构,照片

逡逑形层状结构，易沿着与层面平行的方向解理（图１．２ｂ）。由于具有非常好的可塑性、逡逑粘结性、分散性、绝缘性、耐火性和化学稳定性等，高岭石己经成为橡胶、造纸、逡逑陶瓷以及耐火材料等行业不可缺少的矿物原料。此外，高岭石在重金属和染料处逡逑理等方面也显现出较好的去除性能（Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙｙａ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１４）。逡逑ｍｍ逡逑Ｑ邋＝邋0邋0＝邋ｓｈａｒｅｄ邋Ｏ邋＝邋Ｓｉ邋＾邋＝邋Ａｌ逦ｙ＾ｉ．ｎｒ，丨恱Ｋｉ逡逑图邋１．２邋高岭石晶体结构（ａ）和邋ＦＥＳＥＭ邋照片（ｂ）邋（Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙｙａ邋ａｎｄ邋Ｓｅｎ邋Ｇｕｐｔａ，邋２００８；逡逑Ｗｉｌｓｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ”邋２０１４）逡逑埃洛石也属于１：１型的二八面体粘土矿物，属于埃洛石族，一般呈中空纳米逡逑管状结构（Ｚｈａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１６ｃ）（图１．３）。埃洛石是Ｂｅｒｔｈｉｅｒ于１８２６年在比利时逡逑Ａｎｇｌｅｕｒ地区发现。天然的埃洛石一般为白色
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X52;TB383.1

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