【摘要】：在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,納米材料因其良好的物理化學(xué)性能在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和處理的過程中,納米材料不可避免的被釋放到環(huán)境中,在空氣、水體和土壤中不斷積累并引發(fā)各種各樣的污染問題,對生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。與傳統(tǒng)污染物不同,由于納米材料具有普通顆粒物所沒有的小尺度效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等,進(jìn)入生物體后可能引發(fā)特殊的生物效應(yīng)并在生物整體水平、細(xì)胞水平、以及基因水平對生物體造成不同程度的毒性損傷,直接威脅著人類健康。目前,人們對納米材料的生物安全性研究尚處于起步階段,對其生物毒性認(rèn)識還相當(dāng)局限。迄今為止,納米材料在生態(tài)環(huán)境中尚未造成大規(guī)模污染,但仍存在諸多潛在風(fēng)險。本文選取氧化石墨烯作為納米材料的代表,系統(tǒng)的研究其在水環(huán)境體系中的絮凝遷移行為和作用機(jī)制,實現(xiàn)了水體中氧化石墨烯的快速高效去除,能夠有效避免其可能引發(fā)的環(huán)境污染問題以及其它潛在風(fēng)險,從而將負(fù)面影響降至最低,這對于氧化石墨烯的大規(guī)模應(yīng)用至關(guān)重要。本文采用不同方法制備多種材料,并在不同環(huán)境條件下對水體中的氧化石墨烯進(jìn)行絮凝實驗。采取多種表征手段對材料的組成結(jié)構(gòu)和界面特性進(jìn)行了表征分析,并考察不同時間,溫度,pH,離子強(qiáng)度等環(huán)境因素對氧化石墨烯絮凝的影響。通過表征分析并結(jié)合批試驗,得出相關(guān)的作用機(jī)制。本文主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)實驗結(jié)果表明,所制備的 Mg/Al-LDHs、Mg/Al/La-LDHs、Mg/Al/La-CLDHs、MgO、CS-MgO、C@La-TiO2和C@Ce-TiO2對氧化石墨烯均顯示出良好的去除效果。其中,Mg/Al/La-CLDHs對氧化石墨烯的去除效果最好,可達(dá)565.8 mg/g;其次是CS-MgO,去除量為435.5 mg/g。熱力學(xué)研究顯示,氧化石墨烯的絮凝是一個吸熱過程,高溫有利于氧化石墨烯的去除。但溫度過高時,分子無規(guī)則運(yùn)動加劇導(dǎo)致體系穩(wěn)定性降低,從而造成氧化石墨烯去除率下降。相對于一價金屬離子,二價和三價金屬離子能夠有效提高氧化石墨烯去除率。此外,在氧化石墨烯的絮凝過程中,不會產(chǎn)生二次污染。(2)氧化石墨烯在水滑石及其改性材料(Mg/Al-LDHs、Mg/Al/La-LDHs和Mg/Al/La-CLDHs)上的絮凝受pH影響較大,而基本不受離子強(qiáng)度的干擾。多種表征結(jié)果證明,氧化石墨烯絮凝僅僅發(fā)生在材料的表面,并沒有破壞材料的晶體結(jié)構(gòu)。此外,Mg/Al-LDHs等材料可循環(huán)用于水體中氧化石墨烯的去除,可有效降低使用成本。(3)氧化石墨烯在氧化鎂及其改性材料(MgO和CS-MgO)上的絮凝過程受pH影響較大。動力學(xué)研究表明,氧化石墨烯在MgO上的絮凝20 min內(nèi)能夠達(dá)到平衡態(tài),可以實現(xiàn)水體中氧化石墨烯的快速去除,顯示出良好的應(yīng)用前景。基于密度泛函理論計算,并結(jié)合多種表征分析和批試驗,可以得出在氧化石墨烯絮凝過程中起主要作用的是靜電引力,其次是氫鍵。(4)通過稀土元素?fù)诫s二氧化鈦包覆碳球復(fù)合材料(C@La-Ti02和C@Ce-Ti02)對氧化石墨烯和重金屬離子Cr(Ⅵ)的去除研究證明,材料在絮凝氧化石墨烯后,可再次用于其它環(huán)境污染物的去除。這樣不僅可以提高污染物的去除率,還能有效避免材料的浪費(fèi)。綜上所述,本文揭示了氧化石墨烯在不同水環(huán)境體系中的宏觀絮凝行為和微觀作用機(jī)制,研究成果能夠為探究氧化石墨烯在復(fù)雜環(huán)境體系中的物理化學(xué)行為和環(huán)境生態(tài)效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。
【圖文】：

ＧＯ）是一個獨(dú)特的分支，具有與石墨烯相似的結(jié)構(gòu)而性質(zhì)卻大不相同＆８］。與石墨烯逡逑相比，氧化石墨烯在石墨烯二維平面上修飾有大量羥基、環(huán)氧基以及在邊緣有少量逡逑的羧基和羰基，且層間堆疊通過氫鍵等相互作用［９＿１２］，如圖１－１所示。對氧化石墨逡逑烯結(jié)構(gòu)的研究顯示，其基本的蜂窩狀片層結(jié)構(gòu)中包含大量的含氧官能團(tuán)和空位缺陷逡逑并能夠?qū)ρ趸┑奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)產(chǎn)生巨大影響，這也是氧化石墨烯與石墨烯性逡逑質(zhì)差異的根本原因［１Ｗ７］。由于含有大量的含氧官能團(tuán)，氧化石墨烯具有許多不同于逡逑石墨烯的優(yōu)點(diǎn)［％２＜）］。例如，含氧基團(tuán)賦予了氧化石墨烯較強(qiáng)的親水性和水溶液可分逡逑散性。這些官能團(tuán)可作為氧化石墨烯的結(jié)合位點(diǎn)，使其易被其它物質(zhì)修飾，從而構(gòu)逡逑建納米復(fù)合系統(tǒng)。因具有較大的比表面積、良好的物理化學(xué)性能，且易制備、易修逡逑飾、低成本等特性，氧化石墨烯在電子學(xué)、傳感器、催化、生物醫(yī)藥、能量存儲等逡逑領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用【２１－２５］。逡逑氧化石墨烯含有大量的含氧功能團(tuán)和缺陷

Ｆｉｇｕｒｅ邋３－３邋ＳＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ邋ｂｅｆｏｒｅ邋（ａ）邋ａｎｄ邋ａｆｔｅｒ邋（ｂ）邋ＧＯ邋ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ，邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ逡逑Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ邋ｂｅｆｏｒｅ邋（ｃ）邋ａｎｄ邋ａｆｔｅｒ邋（ｄ）邋ＧＯ邋ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ逡逑Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ的表面形貌如圖３－３ａ所示，從圖中可以觀察到Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ呈現(xiàn)逡逑出較為均勻的六邊形薄片結(jié)構(gòu)，且樣品的分散性較好，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。如圖３－３ｃ逡逑所示，從Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ的ＴＥＭ圖可以觀察到重疊的六邊形結(jié)構(gòu)，，這與ＳＥＭ的結(jié)果逡逑一致。圖３－３ｂ和３－３ｄ分別為絮凝后Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ的ＳＥＭ和ＴＥＭ圖，可以看出ＧＯ逡逑絮凝過程對Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ的形貌幾乎沒有影響。逡逑３．３．３邋ｐＨ和離子弓雖度白勺影Ｐ向逡逑圖３－４ａ為不同ｐＨ條件下ＧＯ絮凝的效果圖，從圖中可以看出，ＧＯ去除率隨逡逑ｐＨ的升高而逐漸增加。當(dāng)ｐＨ為６．０時，ＧＯ去除率達(dá)到最大值，之后ＧＯ去除率逡逑隨ｐＨ的繼續(xù)升高而逐漸降低。這種現(xiàn)象是由Ｍｇ／Ａｌ－ＬＤＨｓ的表面性質(zhì)和ＧＯ本身逡逑１６逡逑
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X131.2;TQ127.11

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3 張倩;唐利斌;李汝R

本文編號：2600579