納米碳管吸附有機(jī)污染物的行為和機(jī)理.pdf

1、納米碳管吸附有機(jī)污染物的研究是關(guān)系到納米碳管作為吸附功能材料運(yùn)用于環(huán)境領(lǐng)域的重要課題,也是評(píng)價(jià)納米碳管及其被吸附有機(jī)污染物遷移和歸宿等環(huán)境行為的基礎(chǔ)工作。研究納米碳管吸附有機(jī)污染物的行為、探討納米碳管與有機(jī)污染物間的作用機(jī)理,可以為納米碳管作為潛在吸附材料大規(guī)模運(yùn)用于環(huán)境治理和修復(fù)實(shí)踐提供可行性判斷依據(jù),可以為環(huán)境中有機(jī)污染物被納米碳管富集后引起有機(jī)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(jī)污染物環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)

2、。 納米碳管是相對(duì)較新的人工合成碳質(zhì)材料,迄今為止關(guān)于納米碳管吸附水溶液中有機(jī)污染物的研究報(bào)道為數(shù)不多,納米碳管與有機(jī)污染物間作用機(jī)理尚未明晰,且缺乏系統(tǒng)研究不同理化性質(zhì)有機(jī)污染物吸附到不同形態(tài)結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)納米碳管上的行為和機(jī)理,因此納米碳管吸附有機(jī)污染物的相關(guān)研究工作亟待深入開展。 本論文采用吸附實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同理化性質(zhì)的有機(jī)污染物在具有不同種形態(tài)結(jié)構(gòu)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(jī)污染物與納

3、米碳管間的作用機(jī)理。論文取得了如下有價(jià)值的研究成果： 1)有機(jī)污染物與納米碳管間的吸附親和力并不僅僅與有機(jī)污染物的疏水性和溶解度相關(guān),而且與有機(jī)污染物極性、可極化度、芳香性以及官能團(tuán)供給電子能力密切相關(guān)。非極性芳香族有機(jī)污染物與極性芳香族有機(jī)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(jìn)而增強(qiáng)芳香族有機(jī)污染物在納米碳管上的吸附；非極性脂肪族有機(jī)污染物與納米碳管結(jié)合時(shí)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(biāo)化后,有機(jī)污染物與納米碳管間的相對(duì)吸附親和力表現(xiàn)為極性芳香族有機(jī)污染物>非極性芳香族有機(jī)污染物>非極性脂肪族有機(jī)污染物。 2)含硝基的極性芳香族有機(jī)污染物在納米碳管上吸附親和力遠(yuǎn)大于疏水性相近或者更高的非極性芳香族有機(jī)污染物在納米碳管上的吸附親和力,其原因是硝基官能團(tuán)的強(qiáng)吸電子效應(yīng)使得苯環(huán)上π電子密度降低,含有硝基的芳香族有機(jī)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(qiáng)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(jī)污染物在納米碳管上吸附遠(yuǎn)大于芳香度接近的非極性芳香族有機(jī)污染物,其原因是羥基或氨基是很好的供電子基團(tuán),含羥基或氨基的芳香族有機(jī)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(qiáng)π-π電子供體-受體作用。π-π電子供體-受體作用的強(qiáng)弱與極性芳香族有機(jī)污染物提供或者接受電子的官能團(tuán)類別和數(shù)量密切相關(guān)。 3)小分子有機(jī)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(jī)污染物在單壁納米碳管和石墨上吸附強(qiáng)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(diǎn)位接觸,導(dǎo)致“分子篩”效應(yīng)。 4)常規(guī)氧化處理納米碳管表面引入了含氧官能團(tuán),除含氨基極性有機(jī)污染物外,含氧官能團(tuán)對(duì)極性和非極性有機(jī)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(tuán)產(chǎn)生氫鍵作用,從而與有機(jī)污染物競(jìng)爭(zhēng)納米碳管表面而抑制了有機(jī)污染物的吸附。而對(duì)于含

7、氨基的有機(jī)污染物,由于氨基含未成鍵孤對(duì)電子,含氨基的極性有機(jī)污染物與納米碳管表面接觸時(shí)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(duì)作用,從而彌補(bǔ)了水分子競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)對(duì)有機(jī)污染物吸附的抑制。 5)含羥基的極性有機(jī)污染物在溶液pH值高于其pKa值時(shí)主要呈離子態(tài),雖然離子態(tài)羥基有機(jī)污染物親水性能顯著增加,但與此同時(shí)堿性條件離子態(tài)羥基有機(jī)污染物提供電子能力增強(qiáng),提升了與納米碳管表面π-π電子供體-受體作用,所以