纳米二氧化锰吸附重金属铜、镉离子特性及安全性评价

发布时间：2017-08-20 11:20

  本文关键词：纳米二氧化锰吸附重金属铜、镉离子特性及安全性评价

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【摘要】：在我国很多地区,土壤铜、镉污染问题已越来越严重,治理铜、镉污染已成为保护粮食质量安全、保证人类健康的关键问题。本研究以高锰酸钾和无水乙醇为原料,通过水-有机两相法制备纳米二氧化锰。探讨了二氧化锰材料对水溶液中的铜、镉的吸附去除机制;在此基础上,利用粒径相似且生物相容性较好的纳米羟基磷灰石作为对比,进行水稻水培、蚯蚓试验,从植物和土壤动物的角度,评价纳米二氧化锰的生物安全性。以期为环境Cu2+、Cd2+污染治理提供的数据支持,为拓展纳米二氧化锰及其相关产品修复铜、镉污染水或土壤环境及其合理使用提供理论上的依据。主要研究成果如下:(1)制备了吸附性能较好的纳米二氧化锰(n Mn O2)吸附材料水-有机两相法制备的纳米二氧化锰比表面积为141.66 m2/g;n Mn O2对Cu2+和Cd2+的吸附分别在500和225 min达到平衡,吸附过程符合准二级动力学模型(R2Cu=0.99;R2Cd=0.98)与Elovich模型(R2Cu=0.91;R2Cd=0.93)。Elovich拟合结果显示,n Mn O2对Cd2+的吸附速率要高于Cu2+。通过Langmuir方程对其吸附过程进行拟合,其对Cu2+和Cd2+的最大吸附量分别为104.5(R2Cu=0.98)和89.1 mg/g(R2Cd=0.94);热力学实验结果表明,温度升高有利于吸附反应的进行;n Mn O2对Cu2+和Cd2+的吸附在较高p H下效果较好。这种纳米二氧化锰每吸附1mol的铜离子需要35.8元,而每吸附1mol的镉离子需要73.8元,具有较佳的性价比。纳米二氧化锰材料对环境中的Cu2+、Cd2+具有良好的吸附效果。(2)纳米二氧化锰负载铜离子和镉离子之后进入水稻幼苗植株之前不会释放重金属离子,明显减轻了铜镉对于水稻幼苗的生物量的影响,但是造成了更加严重的氧化应激反应。以纳米羟基磷灰石为参照,研究纳米二氧化锰纳米颗粒复合铜、镉对水稻幼苗的毒害作用。透射电子显微镜观察证实了纳米颗粒在水稻幼苗中的存在;小直径纳米颗粒对水稻幼苗的伤害更大,纳米二氧化锰降低了水稻幼苗对重金属的积累,其中分蘖节中重金属含量最高,同时促进植株根系总长和总表面积。但是n Mn O2引起强烈的氧化应激反应。通过非损伤微测技术,证明了在纳米颗粒复合重金属后,铜、镉并非以离子态转移入植株体内。(3)纳米二氧化锰增强了镉对赤子爱胜蚓的急性毒性本实验采用了比较高的剂量,以研究蚯蚓在纳米颗粒复合重金属的直接暴露下的急性毒性效应。结果表明,本材料虽然能够显著降低蚯蚓对Cd的积累量,但是能够极显著的激发赤子爱胜蚓抗氧化酶系统的应激反应。降低Cd对赤子爱胜蚓的LC50,在纳米二氧化锰的协同作用下,Cd的毒性由“中毒级”提升到“高毒级”。Cu处理组中,蚯蚓未见死亡。
【关键词】：纳米二氧化锰 吸附 毒理 水稻 蚯蚓
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O647.3;X505;X171.5
【目录】：

• 摘要6-7
• abstract7-14
• 英文缩略表14-15
• 第一章 引言15-23
• 1.1 铜、镉污染概述15-17
• 1.1.1 铜、镉的基本性质15
• 1.1.2 铜、镉元素环境中的来源、存在形态及毒性15-17
• 1.2 铜、镉污染的现状17-18
• 1.3 吸附剂法吸附重金属铜、镉的研究进展18-19
• 1.3.1 活性炭类18
• 1.3.2 吸附树脂类18
• 1.3.3 纳米氧化物类吸附剂18-19
• 1.4 纳米材料的制备及应用19-20
• 1.4.1 纳米材料的制备方法19
• 1.4.2 纳米吸附材料的应用19-20
• 1.4.3 锰氧化物材料在环境污染修复中的应用研究进展20
• 1.5 研究意义、目的及研究内容20-21
• 1.5.1 研究意义及目的20
• 1.5.2 研究内容20-21
• 1.6 技术路线21-22
• 1.7 本文创新点22-23
• 第二章 纳米二氧化锰对铜、镉的吸附性能研究23-37
• 2.1 引言23
• 2.2 材料与方法23-26
• 2.2.1 纳米二氧化锰的制备23
• 2.2.2 比表面积的测定23
• 2.2.3 水合粒径的测定23-24
• 2.2.4 zeta电位的测定24
• 2.2.5 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析24
• 2.2.6 X射线光电子能谱分析（XPS）24
• 2.2.7 铜、镉的测定条件与方法24
• 2.2.8 吸附动力学试验24-25
• 2.2.9 吸附热力学试验25
• 2.2.10 p H对铜、镉吸附量的影响试验25
• 2.2.11 数据处理与分析25-26
• 2.3 结果与分析26-34
• 2.3.1 纳米二氧化锰材料的理化性质26
• 2.3.2 纳米二氧化锰材料的XPS分析26-27
• 2.3.3 傅立叶红外光谱(FTIR)分析表征27-29
• 2.3.4 等温吸附曲线29
• 2.3.5 动力学吸附试验29-31
• 2.3.6 不同p H下纳米二氧化锰材料对铜、镉离子的吸附31-32
• 2.3.7 不同温度下纳米二氧化锰材料对铜、镉离子的吸附32-33
• 2.3.8 纳米二氧化锰经济成本分析33-34
• 2.4 讨论34-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第三章 纳米二氧化锰及纳米二氧化锰-铜镉复合体对水稻幼苗的毒性效应37-49
• 3.1 引言37-38
• 3.2 材料与方法38-40
• 3.2.1 供试水稻品种38
• 3.2.2 供试材料38
• 3.2.3 水稻育苗38
• 3.2.4 纳米悬浊液的制备38-39
• 3.2.5 水稻幼苗暴露过程39
• 3.2.6 植物电镜切片的制备39
• 3.2.7 水稻根系发育及水稻生物量的测定39
• 3.2.8 根表面离子流速的测定39-40
• 3.2.9 水稻铜镉含量的测定40
• 3.2.10 酶活性的测定40
• 3.2.11 数据分析40
• 3.3 结果与分析40-47
• 3.3.1 纳米材料对水稻生物量的影响40-42
• 3.3.2 纳米材料对水稻幼苗中铜、镉含量的影响42-43
• 3.3.3 纳米材料对水稻幼苗酶活性的影响43-44
• 3.3.4 纳米材料对水稻根系发育的影响44
• 3.3.5 纳米材料对水稻幼苗根系吸收重金属离子的影响44-45
• 3.3.6 透射电镜照片分析45-47
• 3.4 讨论47-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 纳米二氧化锰材料及纳米二氧化锰材料-铜镉复合体对蚯蚓的毒理学效应49-54
• 4.1 引言49
• 4.2 实验材料与方法49-50
• 4.2.1 供试蚯蚓49
• 4.2.2 纳米悬浊液配制49
• 4.2.3 试验方法49
• 4.2.4 蚯蚓抗氧化酶活性的测定49-50
• 4.2.5 蚯蚓铜镉含量的测定50
• 4.2.6 数据分析50
• 4.3 结果与分析50-52
• 4.3.1 纳米材料复合铜、镉对蚯蚓的LC50值50-51
• 4.3.2 纳米材料对蚯蚓中铜、镉含量的影响51-52
• 4.3.3 纳米材料对蚯蚓酶活性的影响52
• 4.4 讨论52-53
• 4.5 本章小结53-54
• 第五章 结论54-55
• 5.1 纳米二氧化锰材料的吸附性能的评价及吸附机理54
• 5.2 纳米二氧化锰对水稻幼苗的影响54
• 5.3 纳米二氧化锰对赤子爱胜蚓的影响54-55
• 参考文献55-67
• 致谢67-68
• 作者简历68

【参考文献】

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本文编号：706328