納米碳管吸附有機污染物的行為和機理.pdf

1、納米碳管吸附有機污染物的研究是關系到納米碳管作為吸附功能材料運用于環(huán)境領域的重要課題,也是評價納米碳管及其被吸附有機污染物遷移和歸宿等環(huán)境行為的基礎工作。研究納米碳管吸附有機污染物的行為、探討納米碳管與有機污染物間的作用機理,可以為納米碳管作為潛在吸附材料大規(guī)模運用于環(huán)境治理和修復實踐提供可行性判斷依據(jù),可以為環(huán)境中有機污染物被納米碳管富集后引起有機污染物遷移和歸宿改變提供信息,也可以為納米碳管和被吸附有機污染物環(huán)境風險評價提供理論基礎

2、。 納米碳管是相對較新的人工合成碳質(zhì)材料,迄今為止關于納米碳管吸附水溶液中有機污染物的研究報道為數(shù)不多,納米碳管與有機污染物間作用機理尚未明晰,且缺乏系統(tǒng)研究不同理化性質(zhì)有機污染物吸附到不同形態(tài)結(jié)構和表面性質(zhì)納米碳管上的行為和機理,因此納米碳管吸附有機污染物的相關研究工作亟待深入開展。 本論文采用吸附實驗系統(tǒng)研究了不同理化性質(zhì)的有機污染物在具有不同種形態(tài)結(jié)構和表面性質(zhì)的納米碳管上的吸附行為,從微觀角度探討了有機污染物與納

3、米碳管間的作用機理。論文取得了如下有價值的研究成果： 1)有機污染物與納米碳管間的吸附親和力并不僅僅與有機污染物的疏水性和溶解度相關,而且與有機污染物極性、可極化度、芳香性以及官能團供給電子能力密切相關。非極性芳香族有機污染物與極性芳香族有機污染物可分別與納米碳管表面產(chǎn)生π電子共軛作用和π-π電子供體-受體作用,進而增強芳香族有機污染物在納米碳管上的吸附；非極性脂肪族有機污染物與納米碳管結(jié)合時不能產(chǎn)生特殊作用,與碳納米管的親和力

4、較弱。經(jīng)正十六烷疏水標化后,有機污染物與納米碳管間的相對吸附親和力表現(xiàn)為極性芳香族有機污染物>非極性芳香族有機污染物>非極性脂肪族有機污染物。 2)含硝基的極性芳香族有機污染物在納米碳管上吸附親和力遠大于疏水性相近或者更高的非極性芳香族有機污染物在納米碳管上的吸附親和力,其原因是硝基官能團的強吸電子效應使得苯環(huán)上π電子密度降低,含有硝基的芳香族有機污染物能作為電子受體與高度極化的碳納米管表面富電子區(qū)域作為電子供體產(chǎn)生強π-π電子

5、供體-受體作用。含羥基或氨基的極性芳香族有機污染物在納米碳管上吸附遠大于芳香度接近的非極性芳香族有機污染物,其原因是羥基或氨基是很好的供電子基團,含羥基或氨基的芳香族有機污染物能作為電子供體與極化后納米碳管表面缺電子區(qū)域作為電子受體產(chǎn)生強π-π電子供體-受體作用。π-π電子供體-受體作用的強弱與極性芳香族有機污染物提供或者接受電子的官能團類別和數(shù)量密切相關。 3)小分子有機污染物在單位比表面積單壁納米碳管、多壁納米碳管以及石墨吸附性能接

6、近,均以表面吸附為主,而大分子有機污染物在單壁納米碳管和石墨上吸附強于多壁納米碳管,其原因是受分子體積限制,阻礙了部分大分子與多壁納米碳管管壁間吸附點位接觸,導致“分子篩”效應。 4)常規(guī)氧化處理納米碳管表面引入了含氧官能團,除含氨基極性有機污染物外,含氧官能團對極性和非極性有機污染物吸附均表現(xiàn)出抑制作用,其原因可能為水分子可與納米碳管表面含氧官能團產(chǎn)生氫鍵作用,從而與有機污染物競爭納米碳管表面而抑制了有機污染物的吸附。而對于含

7、氨基的有機污染物,由于氨基含未成鍵孤對電子,含氨基的極性有機污染物與納米碳管表面接觸時能提供電子作為路易斯堿與納米碳管表面正電荷區(qū)域作為路易斯酸發(fā)生路易斯酸堿對作用,從而彌補了水分子競爭效應對有機污染物吸附的抑制。 5)含羥基的極性有機污染物在溶液pH值高于其pKa值時主要呈離子態(tài),雖然離子態(tài)羥基有機污染物親水性能顯著增加,但與此同時堿性條件離子態(tài)羥基有機污染物提供電子能力增強,提升了與納米碳管表面π-π電子供體-受體作用,所以