不同环境因子对纳米TiO2在饱和多孔介质中吸附迁移行为的影响研究

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近些年来,环境研究者对纳米TiO2在多孔介质中的迁移性进行了部分研究,但是对复杂环境条件下纳米TiO2在多孔介质中的吸附迁移行为的系统探讨还很不足,尤其是对其在金属矿物及其他纳米材料存在条件下吸附迁移行为的了解非常有限。本研究选用石英砂饱和多孔介质模拟土壤地下水体系,通过比较纳米TiO2在复杂环境条件下的穿透曲线和固相分布曲线,系统地研究腐殖酸、铁矿物、环境中共存的多壁碳纳米管对纳米TiO2在饱和多孔介质中迁移行为的影响,分析其作用规律、探讨其作用机制。  本研究第一部分通过石英砂饱和填充柱实验研究了不同pH、离子强度及腐殖酸条件下纳米TiO2在石英砂饱和多孔介质中的吸附迁移行为。实验pH值为5和7,离子强度为0.1、1、10 mM NaCl和0.01、0.05、0.1 mM CaCl2,腐殖酸1mg/L。实验结果证实了pH和离子强度主要是通过影响纳米TiO2胶体的带电性质及纳米TiO2胶体溶液的稳定性来影响其在石英砂多孔介质中的吸附迁移行为;1mg/L腐殖酸能够促进纳米TiO2在饱和石英砂多孔介质中的迁移以及降低pH及离子强度的影响主要是因为腐殖酸产生了较强的静电排斥和空间排斥作用。  本研究第二部分通过载铁矿物石英砂饱和填充柱实验研究了不同pH、离子强度及腐殖酸条件下纳米TiO2在铁矿物存在时的吸附迁移行为的影响,目的是研究环境中铁矿物的存在对纳米TiO2吸附迁移行为的影响,以及铁矿物存在时腐殖酸对纳米TiO2吸附迁移行为的影响机制。实验pH值为5和7,离子强度为0.1、1、10 mM NaCl和0.01、0.05、0.1 mM CaCl2,腐殖酸1和10 mg/L。结果表明:无腐殖酸存在时,铁矿物的存在导致多孔介质出现表面电荷异质性以及粗糙度增大,不仅使所有研究条件下纳米TiO2均处于有利条件吸附,还降低了pH及离子强度的影响;因为铁矿物的存在,腐殖酸主要是通过纳米TiO2胶体溶液中游离的腐殖酸占据吸附位点以及改变载体矿物石英砂表面的电荷性质来影响纳米TiO2的吸附迁移行为;相对于无腐殖酸时纳米TiO2在铁矿物存在时的吸附迁移行为,pH及离子强度通过影响纳米TiO2溶液中游离腐殖酸的量进而增强了其影响程度。  本研究第三部分通过石英砂饱和填充柱实验研究了不同pH、离子强度条件下纳米TiO2在有无多壁碳纳米管共存时的吸附迁移行为,目的是研究共存多壁碳纳米管对纳米TiO2吸附迁移行为的影响。实验pH值为5和7,离子强度为1、10 mM NaCl。实验研究发现多壁碳纳米管共存显著影响了纳米TiO2的吸附迁移行为。整体来讲,多壁碳纳米管共存促进了纳米TiO2在石英砂饱和多孔介质中的迁移,但作用机理在不同pH和不同离子强度下有所不同。具体是低pH低离子强度下,纳米TiO2和多壁碳纳米管团聚物颗粒粒径虽然较大,但不足以发生截留作用,因多壁碳纳米管在石英砂饱和多孔介质中迁移能力较强,部分纳米TiO2会被带出多孔介质,进而导致出流液中纳米TiO2浓度增高。而低pH高离子强度下,由于团聚物颗粒粒径过大,直接导致截留作用发生,纳米TiO2全部截留在多孔介质系统内部。低pH低离子强度下,由于迁移过程中的团聚,发生间接截留作用,纳米TiO2在柱子系统内的分布呈超指数下降;低pH高离子强度下,由于直接发生截留作用,纳米TiO2在柱子系统内的分布也呈超指数下降。高pH下,不管是在低离子强度下还是在高离子强度下,多壁碳纳米管均能够增强纳米Ti02悬液的稳定性,促进其在饱和体系中的迁移,由于发生间接截留作用,纳米TiO2在柱子系统内的分布也呈超指数下降。以上这些研究结果将有助于从机制上深入地了解纳米TiO2在土壤地下水环境中的迁移行为及其归趋.
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