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1、2015年,約有1萬(wàn)億美元的納米產(chǎn)品涌入市場(chǎng)。納米產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用及丟棄的過(guò)程中會(huì)進(jìn)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(guò)程會(huì)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(fù)擔(dān),本文對(duì)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(guò)程及作用機(jī)理進(jìn)行研究。
因?qū)嶒?yàn)手段在時(shí)空尺度上的限制性,無(wú)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(gè)納米的納米顆粒)的微觀動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,因而本文引入布朗動(dòng)力學(xué)模擬、分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法,取長(zhǎng)補(bǔ)短,在不同尺度下(納米尺度、亞納米尺度),從動(dòng)力學(xué)特征表達(dá)、溶液水化學(xué)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(guò)程。
納米尺度下,基于分子模擬手段-布朗動(dòng)力學(xué)模擬,引入DLVO理論描述顆粒-顆粒之間相互作用力,通過(guò)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(qiáng)度條件下,納米TiO2顆粒之間的動(dòng)態(tài)聚集過(guò)
3、程,初次聚集可使納米顆粒的聚集體數(shù)目達(dá)到頂峰,小聚集體之間進(jìn)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(huì)發(fā)生破碎或解離。粒徑對(duì)TiO2納米顆粒聚集程度的影響最為劇烈,離子強(qiáng)度對(duì)TiO2納米顆粒的聚集體個(gè)數(shù)及平均粒徑的影響大于pH?;趯?shí)驗(yàn)手段,探討了腐殖酸與十二烷基苯磺酸鈉對(duì)納米TiO2聚集過(guò)程的影響機(jī)制,腐殖酸和十二烷基苯磺酸鈉的存在均會(huì)抑制納米TiO2顆粒的聚集,且可將其相互作用過(guò)程分為接近、聚集和強(qiáng)相互作用三步驟。
4、> 納米尺度下,基于分子模擬手段-布朗動(dòng)力學(xué)模擬,引入DLVO理論描述顆粒-表面之間相互作用力,通過(guò)考察沉積體個(gè)數(shù)及沉積體結(jié)構(gòu),定量揭示不同粒徑、pH及離子強(qiáng)度條件下,納米TiO2顆粒之間的動(dòng)態(tài)沉積過(guò)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(duì)沉積過(guò)程影響劇烈程度為離子強(qiáng)度>粒徑>pH。基于實(shí)驗(yàn)手段,輔以DLVO理論及沉積理論,探討腐殖酸對(duì)納米TiO
5、2顆粒沉積過(guò)程的影響機(jī)制,TiO2納米顆粒的沉降特性研究。沉積柱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,腐殖酸存在可增強(qiáng)納米TiO2顆粒在多孔介質(zhì)中的遷移能力,沉積理論計(jì)算結(jié)果表明,吸附效率隨著pH的增加而增加,隨著離子強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在pH接近pHpzc以及離子強(qiáng)度逐漸增大時(shí),納米TiO2在水溶液中易于沉降。并采用DLVO理論計(jì)算不同pH及離子強(qiáng)度下的相互作用能,其與沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。同時(shí)腐殖酸的存在
6、會(huì)降低沉降性能。
亞納米尺度下,基于分子模擬手段-分子動(dòng)力學(xué)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(jī)制、TiO2納米顆粒與TNB異質(zhì)聚集微觀界面作用機(jī)制及TiO2納米顆粒在SiO2沉積表面的沉積過(guò)程微觀界面作用機(jī)制。同質(zhì)聚集過(guò)程中可知粒徑對(duì)聚集過(guò)程、聚集結(jié)構(gòu)及聚集機(jī)制均有影響。2nm TiO2納米顆粒因表面擴(kuò)散較高及強(qiáng)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(yáng)離子均對(duì)TiO2納米顆粒同TNB的異質(zhì)聚集過(guò)程產(chǎn)生介導(dǎo)作用。無(wú)水分子存在下,TNB中的羧基官能團(tuán)因與TiO2納米顆粒表面Ti原子的強(qiáng)烈靜電吸引而牢固吸附于TiO2納米顆粒表面。H2O存在時(shí),TNB通過(guò)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(guò)HCOH與OTiO2成直接氫鍵作用,且TNB呈“鉸鏈”形式吸附于TiO2納
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