碳纳米管对水中典型有机污染物的吸附作用及定量预测模型

发布时间：2020-05-21 14:41

【摘要】：研究碳纳米管对有机污染物的吸附作用机理以及建立吸附定量预测模型不仅是碳纳米管作为环境优良吸附剂成功应用的关键,也是评价碳纳米管与有机污染物环境生态风险的重要内容。水质条件、有机物理化性质及碳纳米管结构与表面性质是影响碳纳米管对有机污染物吸附作用的重要因素。真实环境中,往往多种有机污染物是共同存在的,并会显著影响有机污染物的吸附行为。有机物在碳纳米管上的脱附是其吸附的逆过程,它不仅决定着碳纳米管在应用中的再生性能,还会影响碳纳米管与有机污染物在环境中的的迁移、转化与归宿。因此,本文研究了溶液性质、有机物理化性质以及碳纳米管结构与表面性质对有机污染物在碳纳米管上的吸附、竞争吸附与脱附行为的影响规律及机理,建立了吸附作用的定量预测模型。论文取得了以下一些研究结果：(1)pH对有机物在碳纳米管上吸附作用的影响主要与有机物的解离状态有关,与碳纳米管表面氧化程度无关。不可离子化有机物在碳纳米管上的吸附作用不受pH的影响,可离子化有机物解离后在碳纳米管上的吸附作用减弱。发现1-萘酚在碱性条件下会发生转化,未转化的1-萘酚能与碳纳米管表面含氧官能团发生类聚合反应而促进吸附作用。(2)由于水分子的竞争作用,碳纳米管表面氧化会降低其对有机物的比表面积标化饱和吸附量,但不会改变其与有机物之间吸附作用力的强弱。有机物与碳纳米管的吸附亲和力越强,那么有机物的可吸附点位越多,其比表面积标化饱和吸附量在碳纳米管氧化后的减少程度越小。(3)碳纳米管对有机物的饱和吸附量(Q0)与碳纳米管比表面积(Asurf)以及表面含氧官能团含量(Nacidic groups)之间存在显著的多元线性关系：QO=0.591 (±0.023)×Asurf-77.7(±17.7)×Nacidic groups-9.98(±5.53)。碳纳米管对有机物的吸附亲和力参数(E、b)与有机物的溶剂化参数(am、π*)之间存在显著的多元线性溶剂化能量关系：E(b)=β1×αm+π1×π*+C。碳纳米管对有机物的吸附亲和力不受碳纳米管管长及表面氧化性质的影响,但与碳纳米管微孔比表面积大小呈正相关。建立了基于有机物理化性质与碳纳米管结构及表面性质,且具有明确物理意义的吸附作用定量预测模型。(4)萘的竞争作用减弱了非解离态2,4-二氯苯酚/对氯苯胺在碳纳米管上的吸附亲和力,但没有改变它们的饱和吸附量；解离态2,4-二氯苯酚／对氯苯胺在碳纳米管上的吸附亲和力及饱和吸附量均被萘强烈地抑制。非解离态2,4-二氯苯酚／对氯苯胺的竞争作用不仅减弱了萘的吸附亲和力,而且降低了它的饱和吸附量；但解离态2,4-二氯苯酚/对氯苯胺对萘的吸附亲和力及饱和吸附量均没有影响。萘与非解离态2,4-二氯苯酚/对氯苯胺之间形成了双分子层竞争吸附,而萘与解离态2,4-二氯苯酚/对氯苯胺之间为单分子层竞争吸附。(5)硝基苯、苯酚及其芳环取代物在碳纳米管上没有脱附滞后现象。苯胺和对甲基苯胺在表面氧化碳纳米管上有显著的脱附滞后现象。通过热力学实验发现,有机物分子中的胺基官能团(-NH2)与碳纳米管表面含氧官能团(-COOH/-COOR)之间发生了吸热且不可逆的酰胺化反应,形成了酰胺化学键,从而导致脱附滞后现象。酰胺化反应属于亲核取代反应,吸电子官能团(如-NO2和-C1)会降低有机物胺基官能团的亲核性,减弱其与碳纳米管表面含氧官能团之间的酰胺化反应,从而减弱有机物在碳纳米管上的脱附滞后现象。相反,给电子官能团(如-CH3)会增强其在碳纳米管上的脱附滞后现象。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703

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