不同尺度下納米TiO2在水中聚集和沉積特性研究.pdf

1、2015年，約有1萬億美元的納米產(chǎn)品涌入市場。納米產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用及丟棄的過程中會進入到水環(huán)境及水處理系統(tǒng)中，而納米顆粒在水溶液中的聚集和沉積過程會極大改變納米顆粒的暴露形態(tài)及減少納米顆粒的暴露程度。因而為確保納米科技作為可持續(xù)發(fā)展的有利工具而非環(huán)境的負擔，本文對暴露在水環(huán)境及水處理系統(tǒng)中的納米顆粒的聚集和沉積過程及作用機理進行研究。
　　因?qū)嶒炇侄卧跁r空尺度上的限制性，無法在原子水平上及納秒、微秒尺度上反映納米顆粒（特別是粒徑為

2、幾個納米的納米顆粒）的微觀動態(tài)變化過程，因而本文引入布朗動力學模擬、分子動力學模擬方法，并結(jié)合實驗方法，取長補短，在不同尺度下（納米尺度、亞納米尺度），從動力學特征表達、溶液水化學條件及微觀界面結(jié)構(gòu)角度研究納米顆粒的聚集和沉積過程。
　　納米尺度下，基于分子模擬手段-布朗動力學模擬，引入DLVO理論描述顆粒-顆粒之間相互作用力，通過考察聚集體數(shù)目及聚集體尺寸，定量揭示不同粒徑、pH及離子強度條件下，納米TiO2顆粒之間的動態(tài)聚集過

3、程，初次聚集可使納米顆粒的聚集體數(shù)目達到頂峰，小聚集體之間進一步發(fā)生二次聚集及多次聚集，形成大的聚集體，聚集體亦會發(fā)生破碎或解離。粒徑對TiO2納米顆粒聚集程度的影響最為劇烈，離子強度對TiO2納米顆粒的聚集體個數(shù)及平均粒徑的影響大于pH?；趯嶒炇侄危接懥烁乘崤c十二烷基苯磺酸鈉對納米TiO2聚集過程的影響機制，腐殖酸和十二烷基苯磺酸鈉的存在均會抑制納米TiO2顆粒的聚集，且可將其相互作用過程分為接近、聚集和強相互作用三步驟。

4、>　　納米尺度下，基于分子模擬手段-布朗動力學模擬，引入DLVO理論描述顆粒-表面之間相互作用力，通過考察沉積體個數(shù)及沉積體結(jié)構(gòu)，定量揭示不同粒徑、pH及離子強度條件下，納米TiO2顆粒之間的動態(tài)沉積過程，TiO2顆粒及聚集體可在SiO2沉積表面形成單層沉積或雙層甚至多層沉積，且小聚集體可以平鋪或垂直于沉積表面的方向存在。各因素對沉積過程影響劇烈程度為離子強度＞粒徑＞pH?；趯嶒炇侄?，輔以DLVO理論及沉積理論，探討腐殖酸對納米TiO

5、2顆粒沉積過程的影響機制，TiO2納米顆粒的沉降特性研究。沉積柱實驗結(jié)果表明，腐殖酸存在可增強納米TiO2顆粒在多孔介質(zhì)中的遷移能力，沉積理論計算結(jié)果表明，吸附效率隨著pH的增加而增加，隨著離子強度的增加而減小。最大遷移距離Lmax的變化規(guī)律與之相反。沉降實驗結(jié)果表明，在pH接近pHpzc以及離子強度逐漸增大時，納米TiO2在水溶液中易于沉降。并采用DLVO理論計算不同pH及離子強度下的相互作用能，其與沉降實驗結(jié)果吻合。同時腐殖酸的存在

6、會降低沉降性能。
　　亞納米尺度下，基于分子模擬手段-分子動力學模擬，定量原子水平上揭示TiO2納米顆粒同質(zhì)聚集微觀界面作用機制、TiO2納米顆粒與TNB異質(zhì)聚集微觀界面作用機制及TiO2納米顆粒在SiO2沉積表面的沉積過程微觀界面作用機制。同質(zhì)聚集過程中可知粒徑對聚集過程、聚集結(jié)構(gòu)及聚集機制均有影響。2nm TiO2納米顆粒因表面擴散較高及強相互作用可形成顆粒-顆粒鍵結(jié)，而穩(wěn)定吸附的水分子阻礙了3nm、4nm TiO2納米顆粒之

7、間的直接鍵結(jié)。水分子及陽離子均對TiO2納米顆粒同TNB的異質(zhì)聚集過程產(chǎn)生介導作用。無水分子存在下，TNB中的羧基官能團因與TiO2納米顆粒表面Ti原子的強烈靜電吸引而牢固吸附于TiO2納米顆粒表面。H2O存在時，TNB通過Hphenol及HCOH與OTiO2形成直接氫鍵作用，且TNB呈“馬靴”結(jié)構(gòu)吸附于TiO2納米顆粒表面。Na+、Ca2+離子存在下，TNB通過HCOH與OTiO2成直接氫鍵作用，且TNB呈“鉸鏈”形式吸附于TiO2納