天然有机质对纳米碳管环境行为的影响研究进展

随着纳米技术的快速发展,大量的纳米碳管(CNTs)不可避免地释放到环境中。由于其较大的憎水性表面,CNTs与有机污染物和天然有机质(NOM)强烈地相互作用。综述了NOM存在下CNTs的环境行为,包括NOM对CNTs分散特性和吸附有机污染物特性的影响。着重论述了NOM的理化性质对CNTs分散的影响,"拉拉链"或"胶束包裹"是主要的分散机制。强调应该对不同分散机制下分散的CNTs与有机污染物的相互作用给予更多的关注,提出了目前在液相环境中直接测定CNTs表面积的新思路,并对今后的研究方向进行了展望。

天然有机质模型化合物分子结构对碳纳米管分散性的影响

研究了不同分子结构的天然有机物质(NOM)模型化合物单宁酸(TA)、没食子酸(GA)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对碳纳米管(CNTs)分散性的影响.通过计算得出,TA的临界胶束浓度(CMC)为1.12mmol/L,SDBS的CMC为0.24mmol/L,GA在所测试的浓度范围内没有形成胶束.比较NOM在CNTs表面的吸附过程和CNTs的分散过程,表明空间位阻和胶束包裹是2个促进CNTs分散的主要机理.借助透射电子显微镜(TEM)和测量悬浮的CNTs的平均流体动力学直径(DLS)结果表明,TA在较少的固相吸附量(Se≈0.01mmol/g)就能使CNTs分散,归因于其吸附后刚性芳香三维结构的TA能形成的较大空间位阻;同样具有芳香平面结构的GA分子在CNTs表面的吸附需要达到一定的厚度(Se>0.2mmol/g),才能有效地分散CNTs;具有烷基脂肪链的SDBS,需要在形成半胶束或胶束后(Se>0.13mmol/g)CNTs才能有效地被分散.芳香族刚性结构和脂肪族柔性结构的模型化合物对CNTs的分散效果和机理存在较大的差别.

玉米秸秆和小麦秸秆生物炭的热稳定性及化学稳定性

为探究秸秆类农业废弃物所制备生物炭的稳定性,以玉米秸秆和小麦秸秆为原料,分别在200℃和500℃下制备生物炭,通过元素分析、傅里叶红外光谱分析、热重及差热分析等分别探究了生物炭的理化性质及热稳定性。结果表明:玉米秸秆因木质素含量较小麦秸秆高,相同温度下制备的生物炭的热稳定性更高。NaClO、H_2O_2和KMnO4三种氧化剂对生物炭的氧化结果表明,秸秆类生物炭的抗氧化性不仅与高木质素含量有关,且受矿物保护的影响。尤其是在KMnO4体系中,木质素和纤维素含量低、灰分含量高的麦秆及其生物炭的化学稳定性更强,表现出了与热稳定性不同的规律。此外,较高温度下制备的生物炭表现出较强的抗氧化能力,具有较大的碳封存潜力。

pH值、离子强度和粒径对氧化石墨烯稳定性的影响

氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)表面具有丰富的官能团和较高的比表面积,能够作为膜材料应用于膜分离技术.然而,目前合成GO的技术很难保证其横向尺寸的均一性.此外,GO在自然水环境中分散性的稳定性受环境中pH值和离子强度的影响.本文研究了横向尺寸、pH值和离子强度对GO表面双电层电荷或结构组装所需的相互作用力的影响.从原位原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)获得的力-距离曲线(F-D)可以看出,溶液条件对DLVO力的作用.GO的双电层静电斥力随着pH值的升高而增大,这可能是由于表面官能团的电离作用增强所致.但随着离子强度的增加,双电层斥力减小,得到的数据与DLVO理论一致.通过Zeta电位和开尔文探针力显微镜(Kelvin probe force microscopy,KPFM)测量,确定了氧化石墨烯片层表面电荷的不均匀性.

磁性氧化铁纳米颗粒在不同性质分散剂作用下的聚合状态

磁性氧化铁(γFe_2O_3)纳米颗粒广泛应用导致其进入环境中引起环境风险.由于本身固有的磁极力作用,γFe_2O_3纳米颗粒在水相环境中极易聚合沉降.然而,自然环境中广泛存在的有机物,包括胡敏酸(HA)和球状蛋白质如牛血清蛋白(BSA),能够极大地加强其胶体稳定性,使之易于在环境中迁移转化,进而增加了环境风险.本研究考察在p H=4时,HA和BSA分别作用下,γFe_2O_3纳米颗粒胶体稳定性的相对变化.运用动态光散射原理(DLS)分析颗粒的平均水合直径(D_H)变化,原位原子力显微镜(AFM)及非原位透射电镜(TEM)等手段考察颗粒的分散情况.结果证实:此p H条件下,两种物质均能在不同程度上使γFe_2O_3分散.然而,相比于BSA,环境中广泛存在具有低p K_a且吸附亲和力较强的HA,能够使γFe_2O_3纳米颗粒的分散性更好,其产生的环境风险也更大.

溶剂环境对纳米碳管分散特征的影响

纳米碳管(CNTs)的环境行为和风险很大程度上受其分散状态的影响.以往对CNTs分散机制的研究主要针对水相体系,适用于水相环境的分散机制能否在其他溶剂环境中适用有待检验.本研究选取聚对苯乙烯磺酸钠(PSS)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为分散剂,探究了不同溶剂环境下PSS和PVP的吸附及分散CNTs的能力.结果表明,与纯水环境相比,20%乙醇-80%水共混溶液(体积分数)中聚合物及CNTs表面官能团的电离程度均较低,带电量较少,降低的静电排斥力使得PSS在CNTs上吸附增加;而降低的静电吸引力导致PVP在CNTs上吸附降低;同时,20%乙醇-80%水共混溶液中CNTs的分散量均低于纯水中的分散量,这主要是因为电离程度的降低导致CNTs之间的静电斥力降低.