氧化石墨烯在水环境中絮凝行为及作用机制研究

发布时间：2020-03-25 23:13

【摘要】：在科学技术迅猛发展的今天,纳米材料因其良好的物理化学性能在各个领域得到了广泛应用。然而,在生产、运输、使用和处理的过程中,纳米材料不可避免的被释放到环境中,在空气、水体和土壤中不断积累并引发各种各样的污染问题,对生态环境造成负面影响。与传统污染物不同,由于纳米材料具有普通颗粒物所没有的小尺度效应、宏观量子隧道效应等,进入生物体后可能引发特殊的生物效应并在生物整体水平、细胞水平、以及基因水平对生物体造成不同程度的毒性损伤,直接威胁着人类健康。目前,人们对纳米材料的生物安全性研究尚处于起步阶段,对其生物毒性认识还相当局限。迄今为止,纳米材料在生态环境中尚未造成大规模污染,但仍存在诸多潜在风险。本文选取氧化石墨烯作为纳米材料的代表,系统的研究其在水环境体系中的絮凝迁移行为和作用机制,实现了水体中氧化石墨烯的快速高效去除,能够有效避免其可能引发的环境污染问题以及其它潜在风险,从而将负面影响降至最低,这对于氧化石墨烯的大规模应用至关重要。本文采用不同方法制备多种材料,并在不同环境条件下对水体中的氧化石墨烯进行絮凝实验。采取多种表征手段对材料的组成结构和界面特性进行了表征分析,并考察不同时间,温度,pH,离子强度等环境因素对氧化石墨烯絮凝的影响。通过表征分析并结合批试验,得出相关的作用机制。本文主要研究成果和创新点如下:(1)实验结果表明,所制备的 Mg/Al-LDHs、Mg/Al/La-LDHs、Mg/Al/La-CLDHs、MgO、CS-MgO、C@La-TiO2和C@Ce-TiO2对氧化石墨烯均显示出良好的去除效果。其中,Mg/Al/La-CLDHs对氧化石墨烯的去除效果最好,可达565.8 mg/g;其次是CS-MgO,去除量为435.5 mg/g。热力学研究显示,氧化石墨烯的絮凝是一个吸热过程,高温有利于氧化石墨烯的去除。但温度过高时,分子无规则运动加剧导致体系稳定性降低,从而造成氧化石墨烯去除率下降。相对于一价金属离子,二价和三价金属离子能够有效提高氧化石墨烯去除率。此外,在氧化石墨烯的絮凝过程中,不会产生二次污染。(2)氧化石墨烯在水滑石及其改性材料(Mg/Al-LDHs、Mg/Al/La-LDHs和Mg/Al/La-CLDHs)上的絮凝受pH影响较大,而基本不受离子强度的干扰。多种表征结果证明,氧化石墨烯絮凝仅仅发生在材料的表面,并没有破坏材料的晶体结构。此外,Mg/Al-LDHs等材料可循环用于水体中氧化石墨烯的去除,可有效降低使用成本。(3)氧化石墨烯在氧化镁及其改性材料(MgO和CS-MgO)上的絮凝过程受pH影响较大。动力学研究表明,氧化石墨烯在MgO上的絮凝20 min内能够达到平衡态,可以实现水体中氧化石墨烯的快速去除,显示出良好的应用前景。基于密度泛函理论计算,并结合多种表征分析和批试验,可以得出在氧化石墨烯絮凝过程中起主要作用的是静电引力,其次是氢键。(4)通过稀土元素掺杂二氧化钛包覆碳球复合材料(C@La-Ti02和C@Ce-Ti02)对氧化石墨烯和重金属离子Cr(Ⅵ)的去除研究证明,材料在絮凝氧化石墨烯后,可再次用于其它环境污染物的去除。这样不仅可以提高污染物的去除率,还能有效避免材料的浪费。综上所述,本文揭示了氧化石墨烯在不同水环境体系中的宏观絮凝行为和微观作用机制,研究成果能够为探究氧化石墨烯在复杂环境体系中的物理化学行为和环境生态效应提供科学依据。
【图文】：

结构图,结构图,氧化石墨

ＧＯ）是一个独特的分支，具有与石墨烯相似的结构而性质却大不相同＆８］。与石墨烯逡逑相比，氧化石墨烯在石墨烯二维平面上修饰有大量羟基、环氧基以及在边缘有少量逡逑的羧基和羰基，且层间堆叠通过氢键等相互作用［９＿１２］，如图１－１所示。对氧化石墨逡逑烯结构的研究显示，其基本的蜂窝状片层结构中包含大量的含氧官能团和空位缺陷逡逑并能够对氧化石墨烯的物理化学性质产生巨大影响，这也是氧化石墨烯与石墨烯性逡逑质差异的根本原因［１Ｗ７］。由于含有大量的含氧官能团，氧化石墨烯具有许多不同于逡逑石墨烯的优点［％２＜）］。例如，含氧基团赋予了氧化石墨烯较强的亲水性和水溶液可分逡逑散性。这些官能团可作为氧化石墨烯的结合位点，使其易被其它物质修饰，从而构逡逑建纳米复合系统。因具有较大的比表面积、良好的物理化学性能，且易制备、易修逡逑饰、低成本等特性，氧化石墨烯在电子学、传感器、催化、生物医药、能量存储等逡逑领域获得广泛应用【２１－２５］。逡逑氧化石墨烯含有大量的含氧功能团和缺陷

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Ｆｉｇｕｒｅ邋３－３邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ邋ｂｅｆｏｒｅ邋（ａ）邋ａｎｄ邋ａｆｔｅｒ邋（ｂ）邋ＧＯ邋ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ，邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ逡逑Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ邋ｂｅｆｏｒｅ邋（ｃ）邋ａｎｄ邋ａｆｔｅｒ邋（ｄ）邋ＧＯ邋ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ逡逑Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ的表面形貌如图３－３ａ所示，从图中可以观察到Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ呈现逡逑出较为均匀的六边形薄片结构，且样品的分散性较好，无明显团聚现象。如图３－３ｃ逡逑所示，从Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ的ＴＥＭ图可以观察到重叠的六边形结构，，这与ＳＥＭ的结果逡逑一致。图３－３ｂ和３－３ｄ分别为絮凝后Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ的ＳＥＭ和ＴＥＭ图，可以看出ＧＯ逡逑絮凝过程对Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ的形貌几乎没有影响。逡逑３．３．３邋ｐＨ和离子弓虽度白勺影Ｐ向逡逑图３－４ａ为不同ｐＨ条件下ＧＯ絮凝的效果图，从图中可以看出，ＧＯ去除率随逡逑ｐＨ的升高而逐渐增加。当ｐＨ为６．０时，ＧＯ去除率达到最大值，之后ＧＯ去除率逡逑随ｐＨ的继续升高而逐渐降低。这种现象是由Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ的表面性质和ＧＯ本身逡逑１６逡逑
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X131.2;TQ127.11

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