高效检测和去除饮用水中污染物的纳米材料设计及作用机制的研究

发布时间：2020-07-22 18:46

【摘要】：纳米科学作为一门新兴学科,已经引起了越来越多的关注。纳米科学作为二十一世纪前沿科学,正在引领着各个学科,特别是交叉学科的发展。纳米技术在环境科学中有着广泛的应用,特别是为环境科学提供了新的材料、工艺和技术保障。例如,纳米技术可应用于水体中污染物的检测、原水的处理、自来水的深度净化、污水处理以及再生回水的生产等等。与传统的环境检测及水处理方法相比,纳米技术及处理工艺占地小,人力和能源消耗少,具有常规方法无法比拟的优势。纳米技术应用在污染物监测和水处理中已经显示出其巨大的优越性和潜在应用价值。本论文工作的主要内容包括新型纳米复合材料的设计与合成；新型纳米材料应用于污染物检测和水处理的效果；以及相关过程的反应动力学及机理的探讨。 1.可水分散的磁性石墨烯-水滑石(MG-LDH)纳米复合材料对水中砷酸盐的吸附去除研究 砷是一种有毒的元素,可以引起直接的和间接的健康问题如癌症和黑变病。作为一个普遍的问题,处理被砷污染的废水已经引起了越来越多的关注。我们通过大量的实验筛选,设计合成了一种磁性石墨烯-水滑石(MG-LDH)纳米复合材料应用于水中砷酸盐的吸附去除。实验证明MG-LDH纳米复合材料相对于纯的水滑石(LDH),对砷酸盐具有更高的吸附能力。该纳米复合材料很容易在水中分散,并且可以通过外加磁场进行回收分离,从而大大提高了其使用效率。一方面,磁性石墨烯(MG)的掺入,极大的增加了该复合材料的比表面积,从而为吸附砷酸盐提供更多的活性位点。另一方面,引入物理和化学上都很稳定的石墨烯材料还可以提高该复合材料的机械强度。MG-LDH皂够快速、高效的从溶液中吸附砷酸盐,说明该材料可以作为潜在的能够从大量污染水中预富集砷酸盐的新型材料。 2.氯离子插层的水滑石(LDH-Cl)片状纳米材料应用于实验室污水及实际污染地下水的处理及机理研究。 砷污染地下水主要由自然过程和人类活动造成,在阿根廷、中国、智利、匈牙利、墨西哥以及最近发现在印度的孟加拉邦,孟加拉国和越南等地都发现了被砷污染的地下水。世界卫生组织WHO以及美国环境保护组织EPA已经修改了饮用水中砷含量的标准值从50到10ug/L。因此,为了达到新的饮用水标准,发展新的技术和材料已经迫在眉睫。本课题选取砷为目标污染物进行研究,从实验室含砷废水处理开始,逐步筛选出合适的纳米材料或者纳米复合体系进行研究,最后应用于实际的砷污染地下水的处理。最后我们筛选出了氯离子插层的Mg/Al水滑石应用于含砷和有机腐殖质(NOM)的实际污染地下水的处理。结果表明,该材料能同时去除被污染地下水中的砷和有机杂质,并达到国家饮用水标准。我们通过XRD, FTIR, XPS, SEM, TEM和EXAFS等表征手段,研究了该材料吸附的各个过程,为其进一步的商业化应用提供理论基础。 3.基于生物质的碳薄膜负载Au纳米颗粒作为高效的表面增强拉曼基底应用于水中有机污染物的检测 表面增强拉曼散射(SERS)技术的应用,为廉价高效的污染物检测提供了新的手段和方法。设计和合成廉价高效的SERS基底,对于SERS技术的应用具有重要的实际意义。我们使用了一种廉价的生物质薄膜(鸡蛋壳膜)作为初始原料,设计合成了一种多孔碳膜支撑金纳米颗粒(NPs)的复合薄膜材料,并研究了其作为表面增强拉曼散射(SERS)基底的性能。该材料作为新型的SERS基底,对罗丹明6G(R6G)的检测具有很好的灵敏度,最低检测限能达到1×10-9M。该检测方法对R6G主要的拉曼信号峰具有较好的重现性,峰强度具有较小的相对标准偏差(RSD=16.3%)。良好的SERS信号的获得,是由于薄膜上密集堆积的金纳米颗粒之间的强电子磁场耦合作用。而且该合成方法不使用任何的表面活性剂,从而避免了表面活性剂对信号的干扰。研究结果展示了一种绿色、廉价高效的方法制备超灵敏的SERS基板,并且显示出其在实际污染物的检测中具有的巨大潜力。
【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】：2015
【分类号】：TB383.1;X703;X832
【图文】：

相沉积金属银，制备出具有周期性结构的SERS基底（如图1.4所示）。这种长钉状的周期性SERS基底对于R6G拉曼信号具有很大的提高。曜S脰賍~

本文编号：2766208