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氧化石墨烯(GO)作为一种新型的碳纳米材料在很多领域展现了很好的应用前景,例如能源、生物应用和高分子复合材料等。随着氧化石墨烯产量和应用的增加很可能导致它在环境中的释放。氧化石墨烯纳米颗粒(GONPs)对地下水环境的影响不仅在于其本身的风险,还在于其对于环境中常见的有机污染物的迁移产生的影响。所以在探索GONPs的迁移和归宿以及其协同有机污染物迁移的影响对GONPs的良性使用和风险管理等方面是非常关键的。 本论文采用柱实验和迁移模型来研究一些环境因素对氧化石墨烯纳米颗粒(GONPs)的团聚和在饱和砂介质中迁移的影响。本文所有实验条件下GONPs都呈现电负性(0-50 mM NaCl; pH4.8-9.0),根据Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论所计算的结果也表明GONPs是在不利于沉积条件下沉积的。即使在离子强度为35 mM NaC1条件下,GONPs也展现出了很强的迁移特性;GONPs的迁移特征对的pH值的变化(从5.1到9.0)并不敏感,这主要和GO表面含有大量的含氧官能团有关。但是在存在10 mg/L腐殖酸(SRHA)条件下,即使离子强度高达35 mM NaC1仍然能够促进GONPs的迁移,这主要是归因于腐殖酸的加入增加位阻斥力和抑制GO片层间的团聚。另外在高离子强度下降低流速可以明显抑制GONPs的迁移。一般来说,与其它碳纳米材料相比,GONPs具有更好的迁移性能,这是由于GONPs对水化学条件和水动力学因素的变化相对不敏感。本文同时应用双点位迁移模型对GONPs的穿透曲线进行了拟合,发现由于该模型考虑了阻隔和截留作用,所以能够实现很好的拟合效果。 本文还研究了不同水化学条件和流速下GONPs在饱和土壤(为一种有机质含量较低的砂性土壤)中的迁移特征。GONPs在土壤中展现了很好的流动性。当处于相对高的离子强度条件下,GONPs在土壤中要比在砂中更易于沉积,但是这种差别不是特别明显。当背景溶液为0.5 mM Ca2+的时候,GONPs在土壤中的迁移受到了明显的抑制,但是在砂中迁移只是受到了稍微的抑制。这是因为Ca2+能够使GONPs上的含氧官能团和土壤组分之间产生络合作用,Ca2+能够促进GONPs的团聚而且使其与土壤颗粒之间产生桥联作用。当从pH值从4增加到9后,GONPs在土壤中迁移变化很小,也许是因为GONPs在低pH条件也具有很强的迁移性。当离子强度为35 mM NaCl,10 mg/L腐殖酸的加入能够很明显的促进GONPs在砂中的迁移,但是对其在土壤中迁移的影响很小。这也许与土壤颗粒更细以及更加异质有关。另外,流速的改变对GONPs在土壤的迁移影响很显著,但是对其在砂中的迁移几乎没有影响,这个现象可以通过阴影区域效应来进行解释。同样应用双点位迁移模型对GONPs的穿透曲线进行了很好的拟合。因此,当评价GONPs环境归宿和影响是要充分考虑GONPs具有良好迁移性的特性。 本文对氧化石墨烯纳米颗粒与有机污染物(以菲和1-萘酚为例)在砂性土壤柱子中的协同迁移作用进行了研究。研究表明,即使在低浓度下,GONPs仍然能够很明显的促进1-萘酚在饱和土壤中的迁移,但是对菲迁移的影响程度却小的多。之所以对1-萘酚的迁移具有更强的促进作用是由于1-萘酚在GONPs上的吸附具有很明显的解吸附迟滞现象(包括热力学上的不可逆吸附和动力学上比较慢的解吸附)造成的。这种现象可能源自于1-萘酚和GONPs之间特殊的极性作用(如氢键)。提高离子强度或者加入Cu(Ⅱ)离子(一种络合离子)都能够增加GONPs的协同迁移能力,这主要是因为随着离子的加入能够增加GONPs片层之间的团聚,使得已经被GONPs吸附的有机物分子不容易解吸下来。比较有意思的一个现象是通过腐殖酸(SRHA)和表面活性剂(SDS)修饰过的GONPs对促进有机污染物的迁移能力没有明显的改变。与之类比,有研究表明SRHA和SDS对富勒烯纳米颗粒(nC60)的协同有机污染物迁移能力具有很大影响。总之,研究结果揭示了在水环境条件下GONPs很可能通过与有机污染物之间产生强烈的极性作用而作为其迁移的一个载体而促进有机污染物的迁移。因此,在全面评估碳纳米材料的环境风险时,很有必要把纳米材料促进污染迁移的这一特征考虑进去。