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越廣泛地應用在工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟生活的各個方面。因此,納米材料也將不可避免地通過各種途徑釋放到環(huán)境中。納米TiO2作為應用最為廣泛的納米材料之一,可能直接或者間接地進入到水環(huán)境中,對環(huán)境和生態(tài)帶來潛在的危害。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,因此對納米TiO2在水環(huán)境中的遷移規(guī)律進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重要組成部分

2、。本項研究旨在考察納米TiO2在水中的顆粒特性以及典型水化學條件對納米TiO2的聚集和沉積特性的影響,并采用理論方法對其在水環(huán)境中的遷移能力給出定量的描述,從而對納米TiO2在水中的遷移規(guī)律有更深入的了解,并為水處理工藝對納米TiO2的去除提供參考。
　　首先,通過X射線衍射、原子力顯微鏡、納米粒度分析等方法對納米TiO2的晶型特征及其在水中的形貌尺寸特性進行了表征。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。
　　通過零點電位分析發(fā)現(xiàn)納米TiO2的零點電位(pHpzc)為5.2,pH值越偏離5.2,納米TiO2在水中穩(wěn)定性越強,越不容易聚集。通過傳統(tǒng)的DLVO理論計算可知,在pH接近pHpzc時,表現(xiàn)為較強的引力勢能,在pH=9時,Umax為19.39kBT,顆粒相互碰撞聚集需要克服較高的排斥能峰。而離子強度的增加可以

4、通過壓縮納米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,Umax從33.59kBT下降到14.88kBT,當IS進一步提高到0.1M以上時,排斥能峰消失。DLVO理論可以很好地解釋pH、離子強度等對納米TiO2聚集穩(wěn)定性的影響。
　　同時考察了天然水環(huán)境中廣泛存在的腐殖酸對納米TiO2聚集特性的影響。在pH=5.5時,腐殖酸會大量吸附在納米TiO2表面,通過增加納米TiO2表面負電位以及空間位

5、阻效應提高納米TiO2的穩(wěn)定性,而在pH=9時,由于HA和納米TiO2表面均帶有大量負電荷,腐殖酸在其表面的吸附量很小。
　　通過沉降實驗同樣可以發(fā)現(xiàn),pH接近等電點、離子強度的增加都會導致納米TiO2在水中更快地沉降。HA對納米TiO2在水中的沉降性能受到pH的很大影響。在pH=5.5時,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,HA的存在并沒有對其沉降速度帶來明顯改變。在HA存在時,需要考慮空間位阻

6、作用,通過擴展的DLVO理論能夠合理解釋HA對納米TiO2穩(wěn)定性的影響。
　　然后通過沉積柱實驗,研究了pH、流速、SDBS等對納米TiO2在飽和多孔介質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濃度的增加都會增強納米TiO2的遷移能力。同時發(fā)現(xiàn)HA對納米TiO2遷移能力有很大影響,在pH=5.5時,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,HA的作用不是很明顯。通過沉積理論對不

7、同條件下納米TiO2在水中的遷移能力進行了定量的描述。
　　最后,通過燒杯實驗模擬了常規(guī)水處理工藝對納米TiO2的去除效果,實驗發(fā)現(xiàn),在投加PAC作為混凝劑時,混凝沉淀過程可以去除水中45％左右的納米TiO2,而在沉淀之后通過0.45μm濾膜可以將超過90%的納米TiO2去除掉,可以明顯提高去除效果。
　　總之,本項研究闡明了水環(huán)境化學條件對納米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