表面官能团化碳纳米材料对有机污染物吸附行为的研究

发布时间：2020-07-05 07:38

【摘要】：随着表面官能团化碳纳米材料在生物医学、材料科学、电子、环境保护等领域展现出越来越多的应用前景,全面探索其对有机污染物在环境中迁移及归宿的影响对于全面评估表面官能团化碳纳米材料的环境风险具有重要的意义。 本论文以氯苯类、酚类及胺类芳香烃作为吸附质,以不同表面官能团化碳纳米材料为吸附剂,通过批量实验法和摇瓶法,系统的研究了不同表面官能团化碳纳米材料对有机污染物的吸附解吸行为及机理研究,以及重金属离子对其吸附行为的影响。研究表明,对于不同的表面官能团化碳纳米材料,由于其表面官能团不同,疏水性能及与有机物的作用机理不同,对有机污染物的吸附能力也有所不同。对于氯苯类、酚类芳香烃,在表面官能团化后的碳纳米管上的吸附比原始碳纳米管上要弱,这主要是因为表面官能团化碳纳米管由于表面官能团增加,亲水性增强,与污染物间的疏水作用减弱,因此其吸附能力减弱；而对于胺类芳香烃,在表面官能团化后的碳纳米管上的吸附则比原始碳纳米管上要强,主要是因为碳纳米管上的酸性表面官能团可与胺类芳香烃上的氨基形成较强的路易斯酸碱作用,所以吸附增强。对于大多数有机污染物在碳纳米材料上的吸附解吸都能很快的达到平衡,且吸附可逆。 为了更加真实的反映碳纳米材料对有机污染物的吸附行为,本论文选择了环境中常见的重金属离子Cu(Ⅱ),研究了其对碳纳米材料吸附有机污染物的影响。研究表明,Cu(Ⅱ)具有较强的络合能力,可以与碳纳米管表面的含氧官能团和含氮官能团形成络合物,通过桥联作用增强酚类和胺类芳香烃在碳纳米管上的吸附,可以明显的影响酚类和胺类芳香烃在表面含氧含氮的碳纳米管上的吸附行为。 由于碳纳米材料在环境条件中可能以不同的形式存在,因此本文以胶体态氧化石墨烯(GONPs)为研究对象,采用微损耗-固相微萃取方法,深入分析了有机污染物在胶体态碳纳米材料的吸附机理。研究表明：有机污染物在GONPs上的吸附行为与在其他碳纳米材料上的吸附行为有明显的不同。由于氧化石墨烯在水中分散性强,并且以单独的片层结构存在,其吸附能比其他碳纳米材料分布均一,因此有机污染物在GONPs上的吸附线性更强。其次,对于酚类芳香烃在GONPs上的吸附,氢键作用比π-πEDA作用强,这点也与以π-πEDA作用为主导作用的碳纳米管上的吸附机理明显不同。但是对于疏水性化合物的吸附,GONPs和其他碳纳米材料一样,都是以π-πEDA作用为主；对于胺类化合物在GONPs上的吸附,主要以化合物上的氨基和GONPs上的含氧基团之间的路易斯酸碱作用为主。 本论文研究表明,通过对碳纳米材料进行表面官能团化,可以有效的改变碳纳米材料对有机污染物的吸附性能,可以为碳纳米材料作为潜在吸附材料大规模运用于环境治理和修复实践以及作为药物载体等方面提供理论支持；研究不同水化学条件下不同形态碳纳米材料的吸附性能,也为评价碳纳米材料释放到环境中后在不同水化学条件下的环境行为提供了重要的技术参考,为全面评价碳纳米材料的环境风险起到了启示作用。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB383.1;X505
【图文】：

1)氮气吸附-解吸等温线如图2.2所示为温度77 K、相对压力P/Po为10_7?1时氮气在三种碳纳米管上的吸附-解吸等温线，其中横坐标为相对压力P/P。，纵坐标为氮气的吸附量。根据不同的相对压力P/Pg下，氮气吸附-解吸等温线的形状能够为碳纳米管的形态结构提供信息。根据丨UPAC的分类，氮气在原始碳纳米管上的吸附脱附等温线符合IV型，在氧化碳纳米管和氨基化碳纳米管上吸附托福等温线符合n型。|5 35 1 1 30 j-25 ■ ： ■g / r-SWNT adsorption // r-SWNT desorptionS 15 O-SWNT adsorption< 10 O-SWNT desorption^ N-SWNT adsorptionc 5 'N-SWNT desorption3 0 X— > . 1 . 1 I a 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Reletive Pressure (P/P。）图2.2三种碳纳米管的氮气吸附解吸等温线如图2.2所示，在相同的相对压力P/PG下，氮气在三种碳纳米管上的吸附量大小顺序为：r-SWNT > O-SWNT > N-SWNT；当相对压力P/Po大于0.8时这种现象尤为明显——原始碳纳米管上的吸附量远大氧化碳纳米管和氨基化碳纳米管的吸附量。a) 在相对压力P/Pg较低（即P/Pg小于0.4)时

原子粒显微镜是检测胶体态碳纳米颗粒物的微观结构（微观形貌、存在状态和厚度分布）常用的检测手段。图4.2为胶体态氧化石墨烯的原子粒显微镜照片，其中图(a)为20 mg/L GONPs在0.5 mM NaCl溶液中的图像，图(b)为20mg/L GONPs在10 mM磷酸盐缓冲液中的图像。总体而言，根据观察到的原子粒显微镜结果来看，氧化石墨炼的结构为片层结构，厚度约为1.3-1.4 nm,这表明GONPs分散均勾，主要为单层结构。这与其他的胶体态碳纳米材料（如碳纳米管和C60)有明显的不同，因为即使在胶体态，碳纳米管也很容易聚集在一起形成束状结构[19

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本文编号：2742308