納米二氧化鈦在水中的聚集沉積特性研究.pdf

1、隨著納米科技的飛速發(fā)展,納米材料正在被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)方面。因此,納米材料也將不可避免地通過(guò)各種途徑釋放到環(huán)境中。納米TiO2作為應(yīng)用最為廣泛的納米材料之一,可能直接或者間接地進(jìn)入到水環(huán)境中,對(duì)環(huán)境和生態(tài)帶來(lái)潛在的危害。納米TiO2的毒理特性以及暴露可能性都與其水環(huán)境行為密切相關(guān),因此對(duì)納米TiO2在水環(huán)境中的遷移規(guī)律進(jìn)行研究是非常必要的。
　　聚集和沉積是決定納米TiO2在水中遷移能力的兩個(gè)重要組成部分

2、。本項(xiàng)研究旨在考察納米TiO2在水中的顆粒特性以及典型水化學(xué)條件對(duì)納米TiO2的聚集和沉積特性的影響,并采用理論方法對(duì)其在水環(huán)境中的遷移能力給出定量的描述,從而對(duì)納米TiO2在水中的遷移規(guī)律有更深入的了解,并為水處理工藝對(duì)納米TiO2的去除提供參考。
　　首先,通過(guò)X射線衍射、原子力顯微鏡、納米粒度分析等方法對(duì)納米TiO2的晶型特征及其在水中的形貌尺寸特性進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)納米TiO2在水中是以聚集體的形式存在,尺寸在180~600

3、nm,超聲、添加陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)等方法可以使其更好地分散,但并不能使解聚為初始的顆粒尺寸。
　　通過(guò)零點(diǎn)電位分析發(fā)現(xiàn)納米TiO2的零點(diǎn)電位(pHpzc)為5.2,pH值越偏離5.2,納米TiO2在水中穩(wěn)定性越強(qiáng),越不容易聚集。通過(guò)傳統(tǒng)的DLVO理論計(jì)算可知,在pH接近pHpzc時(shí),表現(xiàn)為較強(qiáng)的引力勢(shì)能,在pH=9時(shí),Umax為19.39kBT,顆粒相互碰撞聚集需要克服較高的排斥能峰。而離子強(qiáng)度的增加可以

4、通過(guò)壓縮納米TiO2表面雙電層,使其分散穩(wěn)定性明顯降低。IS從0.001M提高到0.01M時(shí),Umax從33.59kBT下降到14.88kBT,當(dāng)IS進(jìn)一步提高到0.1M以上時(shí),排斥能峰消失。DLVO理論可以很好地解釋pH、離子強(qiáng)度等對(duì)納米TiO2聚集穩(wěn)定性的影響。
　　同時(shí)考察了天然水環(huán)境中廣泛存在的腐殖酸對(duì)納米TiO2聚集特性的影響。在pH=5.5時(shí),腐殖酸會(huì)大量吸附在納米TiO2表面,通過(guò)增加納米TiO2表面負(fù)電位以及空間位

5、阻效應(yīng)提高納米TiO2的穩(wěn)定性,而在pH=9時(shí),由于HA和納米TiO2表面均帶有大量負(fù)電荷,腐殖酸在其表面的吸附量很小。
　　通過(guò)沉降實(shí)驗(yàn)同樣可以發(fā)現(xiàn),pH接近等電點(diǎn)、離子強(qiáng)度的增加都會(huì)導(dǎo)致納米TiO2在水中更快地沉降。HA對(duì)納米TiO2在水中的沉降性能受到pH的很大影響。在pH=5.5時(shí),HA的存在和濃度的增加使納米TiO2沉降速度顯著降低,而在pH=9時(shí),HA的存在并沒(méi)有對(duì)其沉降速度帶來(lái)明顯改變。在HA存在時(shí),需要考慮空間位阻

6、作用,通過(guò)擴(kuò)展的DLVO理論能夠合理解釋HA對(duì)納米TiO2穩(wěn)定性的影響。
　　然后通過(guò)沉積柱實(shí)驗(yàn),研究了pH、流速、SDBS等對(duì)納米TiO2在飽和多孔介質(zhì)中的遷移能力的影響。發(fā)現(xiàn)pH偏離pHpzc、流速的提高以及SDBS濃度的增加都會(huì)增強(qiáng)納米TiO2的遷移能力。同時(shí)發(fā)現(xiàn)HA對(duì)納米TiO2遷移能力有很大影響,在pH=5.5時(shí),HA在納米TiO2表面的吸附可以顯著提高其遷移能力,但是在pH=9時(shí),HA的作用不是很明顯。通過(guò)沉積理論對(duì)不

7、同條件下納米TiO2在水中的遷移能力進(jìn)行了定量的描述。
　　最后,通過(guò)燒杯實(shí)驗(yàn)?zāi)M了常規(guī)水處理工藝對(duì)納米TiO2的去除效果,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在投加PAC作為混凝劑時(shí),混凝沉淀過(guò)程可以去除水中45％左右的納米TiO2,而在沉淀之后通過(guò)0.45μm濾膜可以將超過(guò)90%的納米TiO2去除掉,可以明顯提高去除效果。
　　總之,本項(xiàng)研究闡明了水環(huán)境化學(xué)條件對(duì)納米TiO2聚集穩(wěn)定性的影響,定量描述了納米TiO2在水中遷移能力,深入了解納米Ti