不同来源腐植酸及常见阳离子对二氧化钛纳米颗粒聚沉行为影响的研究

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本研究选取应用较为广泛的二氧化钛纳米颗粒(TiO2 NPs)为研究对象,分析了两种不同来源的腐殖酸(HA)在TiO2 NPs表面的吸附行为,并对吸附后TiO2 NPs的悬浮/沉降行为进行了研究,分析了包括pH值、离子强度在内的水体理化要素与HA共同作用下,TiO2 NPs的悬浮/沉降行为。研究结果主要包括以下内容:(1)不同来源的HA对于TiO2 NPs吸附行为的影响具有差异性。HA与TiO2NPs的吸附主要通过静电作用、疏水作用以及官能团之间的化学反应。在pH=2.0时吸附量达到最大值,这主要是由于TiO2 NPs在酸性条件下带正电荷,而HA带负电荷,此时静电吸附起主要作用。在相同pH值条件下,TiO2 NPs对来源于灰褐煤的腐殖酸(HA1)的吸附量大于来源于水中的腐殖酸(HA2),这主要是因为HA1比HA2的疏水性更强,更容易吸附到TiO2 NPs表面。对比两种HA的吸附时间,HA1在12个小时达到吸附平衡,而HA2则在8个小时达到吸附平衡,这可能是由于两种不同来源的HA的物理化学结构存在差别所导致的,而两种HA对于二级动力学拟合性较好,这说明吸附过程主要以化学反应为主。对于HA1来说,Langmuir和Freundlich等温线拟合性相差不大,而对于HA2来说Langmuir拟合较好,则说明HA2与TiO2 NPs的吸附更倾向于单层吸附为主。(2)不同pH值及不同HA吸附后对TiO2 NPs悬浮/沉降行为影响较大。溶液pH值在pH=3.0或10.0时TiO2 NPs由于静电排斥作用更不易团聚而沉降;当pH=7.0时TiO2 NPs易发生团聚沉降,这主要是因为当溶液pH值位于纳米材料等电点时,纳米材料带电量密度较低,颗粒间静电排斥作用下降。当溶液pH偏离TiO2 NPs等电点,TiO2 NPs表面电荷密度增加,颗粒间静电排斥作用上升。pH小于等电点时,TiO2 NPs带正电荷,pH大于等电点时,TiO2 NPs带负电荷。在溶液pH=3.0时,HA通过静电引力作用吸附在TiO2 NPs表面,HA通过空间位阻作用增加了颗粒间的能量壁垒,使TiO2 NPs/HA在溶液中更易悬浮。(3)不同阳离子与HA共同作用下,TiO2 NPs的悬浮/沉降行为差异显著。研究HA以及Na+、Mg2+、Ca2+三种常见阳离子对于TiO2 NPs的悬浮/沉降行为影响表明,三种阳离子对于HA吸附后的TiO2 NPs的悬浮/沉降影响主要是Na+<Mg2+<Ca2+,这主要是Ca2+具有很强的架桥作用,会引起纳米颗粒的粒径先急剧增大后略有减小;而在高Ca2+离子强度下,纳米颗粒的团聚度会降低。并且Ca2+引起的电双层(EDL)压缩功能强于Na+和Mg2+,对于同种离子来说,随着离子强度的增大,TiO2 NPs的悬浮性越差,越容易沉降。
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