磷酸盐介质对纳米二氧化钛在石英砂柱中迁移与归趋的影响机制

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纳米TiO2颗粒近年来被广泛应用于各个领域,然而在使用过程中不可避免地进入自然环境中,对人体健康和生态系统将造成潜在的威胁和危害。此外,磷肥的大量使用使得磷污染问题也越来越严重。因此,研究磷酸盐存在时纳米TiO2颗粒在多孔介质中迁移与滞留的机制是至关重要的,对以后预测、评估纳米级污染物和磷酸盐进入地下水、土壤环境的威胁具有重要意义。本论文通过考察纳米TiO2颗粒在磷酸盐介质条件下,不同浓度电解液中的团聚动力学、水力学半径、Zeta电位以及迁移穿透曲线,探索纳米TiO2颗粒可能的迁移机制,最后用两点动力学吸附模型和经典的DLVO理论来解释和预测迁移行为。结论如下:(1)在磷酸介质中生物炭修饰纳米TiO2颗粒的迁移行为研究:磷酸盐对生物炭修饰纳米TiO2的促进效果强于其对没有修饰的纳米TiO2,这可能是由于生物炭具有更好的流动性,从而携带其附着的纳米TiO2发生迁移。高p H(9.0)增加纳米TiO2颗粒表面负电荷,Zeta电位更负,因而促进纳米TiO2颗粒的迁移效果。两动力学吸附模型很好地拟合了纳米TiO2颗粒的穿透曲线,吸附位点1的吸附效率(k1)和解吸效率(k1d)随着离子浓度的增加而减小,然而在不可逆的吸附位点2处的吸附效率(k2)随着离子浓度的增大而增大,说明离子浓度显著影响纳米TiO2颗粒的迁移行为。(2)在磷酸盐介质中土壤细菌修饰的纳米TiO2颗粒的迁移机制研究:磷酸盐对大肠杆菌修饰纳米TiO2颗粒的促进效果小于没有修饰的纳米TiO2颗粒,这是因为大肠杆菌对磷酸盐有吸附作用,使得磷酸盐促进纳米TiO2颗粒分散的效果减弱,颗粒之间的静电斥力作用也随之减弱,纳米TiO2颗粒的迁移性降低。大肠杆菌的存在促进纳米TiO2颗粒的迁移,这是因为大肠杆菌具有很好的迁移性,且纳米TiO2颗粒紧密附着在大肠杆菌表面发生共迁移。磷酸盐促进枯草芽孢杆菌修饰纳米TiO2颗粒在电解液中的分散性,增大了颗粒之间的静电斥力作用,从而使枯草芽孢杆菌修饰的纳米TiO2颗粒具有更好的迁移性。但由于枯草芽孢杆菌对磷的吸附量大于大肠杆菌,因而磷酸盐对大肠杆菌修饰纳米TiO2颗粒的促进效果大于枯草芽孢杆菌修饰的纳米TiO2颗粒。(3)用经典的DLVO理论解释和预测纳米TiO2颗粒在不同磷酸盐介质中的迁移和滞留行为:纳米TiO2颗粒和石英砂介质间的最大能量势垒均随离子浓度的增大而减小,而第二极小势能数值很小且相差不大,说明主要是静电斥力作用影响纳米TiO2颗粒的迁移。纳米TiO2颗粒和石英砂间的最大能量势垒随磷酸盐、腐植酸、生物碳浓度的增大而增大。p H值越高,纳米TiO2颗粒表面Zeta电位越负,颗粒间排斥势能越高,稳定性越好,从而迁移性越好。
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