碳纳米管的老化与否对沉积物理化性质和磺胺甲噁唑吸附的影响外文翻译资料

英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

碳纳米管的老化与否对沉积物理化性质和磺胺甲噁唑吸附的影响

Xiulei Fan,ChaoWang,Peifang Wang*,Jun Hou,Jin Qian

浅水湖综合整治与资源开发教育部重点实验室 中国 南京210098 河海大学

中国 南京210098 河海大学环境学院

亮点

1. 沉积物孔隙的表面性质受多壁碳纳米管的显著影响。
2. 改造多壁碳纳米管能够改善沉积物的疏水性。
3. 多壁碳纳米管能够增强磺胺甲噁唑的吸附量、强度和异质性。
4. 老化过程可以减少多壁碳纳米管对沉积物性质的影响。
5. 沉积物中天然有机物质的活动可能是多壁碳纳米管的老化机制。

摘要

随着生产力的发展和碳纳米管的广泛应用，水体沉积物中碳纳米管的数量很可能会随着时间的推移而增加。由于碳纳米管较大的比表面积和高孔隙率，这些碳纳米管可能会改变沉积物的理化性质，影响共存污染物的运输。本文研究了多壁碳纳米管对孔道表面性质、疏水性和磺胺甲噁唑吸附行为的影响。同时，由于老化过程多壁碳纳米管对沉积物性质的影响，还研究了多壁碳纳米管老化过程所产生的作用。结果表明，由于多壁碳纳米管的污染，平均孔径、外表面积、总表面积和疏水性都得到明显提高，磺胺甲噁唑吸附能力增强。与此同时，磺胺甲噁唑和多壁碳纳米管的石墨烯表面之间的pi;-pi;电子耦合/堆叠可能是另一个能够提高磺胺甲噁唑吸附能力的因素。碳纳米管填充沉积物微孔降低了等温方程里的线性参数n，表明了其在吸附强度和异质性上有所提升。研究还发现多壁碳纳米管对沉积物孔隙表面性质和磺胺甲恶唑吸附的影响在老化过程从0到2个月期间有显著的减轻，随后趋于平稳，然而，老化过程对于受污染的沉积物的疏水性并没有影响。沉积物中的多壁碳纳米管的衰老机制主要是毛孔堵塞、表面覆盖和从沉积物中迁移而来的天然有机质的竞争吸附。考虑到老化过程的影响，这些结果可能有助于模拟和预测在天然水体沉积物中的多壁碳纳米管潜在的环境风险。

1. 简介

由于其特殊的电子、理化性质，碳纳米管成为一种最受关注的纳米材料^[1]。每年有上百吨的碳纳米管尤其是多壁碳纳米管材料被生产出来用于各种消费产品，其中包括油漆、医疗产品、高分子材料和体育或技术设备^[2,3]。在这些产品的生命周期，碳纳米管将不可避免地通过大气沉降、地表径流、明渠和废水处理厂被释放到水体环境中^[4]。碳纳米管倾向于与有机物质、胶体、天然水体中的沉积物或悬浮的沉积物聚集在一起^[5]。并且水体沉积物被认为是碳纳米管重要的水槽^[6,7]。因此，这些材料释放到沉积物中所造成的负面影响已经引起了广泛关注^[7-10]。过去大多数关于不良后果的研究已经集中到关于碳纳米管对污染物吸附的影响，这些影响是由沉积物和碳纳米管对底栖生物的毒害所造成的^[7-10]。然而，我们对于碳纳米管对泥沙理化性质的影响知之甚少，泥沙的理化性质影响着泥沙颗粒对吸附和聚合有机污染物、重金属和微生物的潜力^[11]。孔隙的表面性质是沉积物理化性质重要的一方面。几个研究探究了金属氧化纳米颗粒（如：纳米二氧化钛和纳米二氧化铈）对沉积物孔隙表面性质的影响，并且发现因此性能会明显变化^[12,13]。然而，碳纳米管长、薄、是空心的圆柱体，是组成石墨烯单壁碳纳米管或多壁碳纳米管的同心层^[14]，碳纳米管的形态是明显不同于那些球形纳米二氧化钛和纳米二氧化铈^[15,16]。碳纳米管对沉积物孔隙表面性质的影响或许也不同于纳米二氧化钛和纳米二氧化铈。同时，碳纳米管多数具有疏水性，并且有很大的潜能去改变沉积物的疏水性，由于疏水作用，这些沉积物对有机污染物的吸附有很大的影响^[17,18]。因此，了解碳纳米管如何影响沉积物孔隙表面性质和疏水性是非常关键的。此外，由于碳纳米管的污染，沉积物孔表面性质和疏水性的变化有可能影响沉积物共存污染物的吸附^[12,13,19]。其后，碳纳米管可以改变这些生物的生物利用率、毒性和污染物的流动性^[20]。因此，探讨沉积物理化性质和共存污染物的吸附行为之间的关系是了解在沉积物中碳纳米管对污染物影响的潜在机制所必要的。

然而，一旦释放到沉积物中，碳纳米管原来的属性可能被老化过程所影响，老化过程是由沉积物中其他物质的作用的结果。此外，碳纳米管的老化过程有可能改变碳纳米管对周围介质的影响。同样，炭黑孔的表面性质和吸附性能会明显改变因为老化过程^[21,22]。另外，银纳米粒子的老化过程对其在土壤中的行为有深远的影响^[23]。老化过程是由沉积物中其他物质作用引起的，可能包括孔隙堵塞、表面覆盖、表面氧化等^[24-27]。我们不怎么了解老化过程对碳纳米管性质的影响，也不怎么了解碳纳米管对沉积物性质的影响。因此，老化过程应该被调查以更好地评估水沉积物中这种物质的环境风险。

抗生素广泛存在环境中，这可能会导致急性和慢性对人类、野生动物的毒害作用和促进耐药基因的演变进程。磺胺甲恶唑，一种常见且在沉积物中被广泛检测到的抗生素^[28,29]。并且被认为是一种重要的共存污染物，而且被认为污染物的代表在这项调查中。而且，多壁碳纳米管被选定为典型的碳纳米管。本研究的目的是：（1）调查多壁碳纳米管对沉积物物化性质的影响，包括孔表面性质和疏水性，（2）探讨沉积物物化性质的变化和磺胺甲恶唑的吸附行为之间的关系。（3）调查老化过程对多壁碳纳米管性质和对沉积物的影响。这是第一个研究去探究多壁碳纳米管对沉积物理化性质的影响，并考虑老化过程对其的影响。这项调查有利于更好地评估在天然水体沉积物中的多壁碳纳米管潜在的环境风险，尤其考虑到老化过程的影响。

1. 材料与方法

2.1材料

这项研究的多壁碳纳米管从Sigma公司（美国）购买。根据制造商的说明,多壁碳纳米管的物理特性如下：外径10plusmn;1nm，内径4.5plusmn;0.5nm，长约3-6um，比表面积280-350m²/g,纯度ge;98%（碳基），表层沉积物（0-15cm）是从太湖的贡湖湾中收集的。样品在室温下进行空气干燥、均质化并通过一个63微米的尼龙筛。小于63微米的组分密封在塑料袋里避光保存并常温贮存。只有小于63微米的部分泥沙沉积物被认为是重要和均匀在河流里面^[30,31]。所以小于63微米的泥沙沉积物被用在实验中。沉积物（小于63微米）的平均粒径为23.31微米，这一数据是由激光粒度分析仪测量出来的。沉积物样本包括88.35%的泥沙（3.9-63微米）和11.65%的黏土（小于3.9微米）。有机质含量的测定为点火损失重量法（550C,3小时），为3.51%。有机碳含量沉积物的测定使用TOC液体分析仪（元素，德国），为2.06%。所有在整个实验中用到的化学物品要被分析，并且所有的方法要被准备搭配着Milli-Q水制备机。

2.2 多壁碳纳米管沉积物的制备与老化研究

本研究所用的沉积物的多壁碳纳米管的重量比分别为0.5%，1%，2%，3%和5%。从模型预测的结果分析来看，这些比率可能明显大于环境中的集中浓度^[7];但是，如果多壁碳纳米管所产生的影响依赖于浓度，那么没有影响的观测或在高浓度下的最小的影响也适用于低浓度的环境下^[10]。

多壁碳纳米管污染沉积物的制备：充分分散多壁碳纳米管，通过将该种材料悬浮在Milli-Q水制备机中来制备多壁碳纳米管溶液（1克/升），在33W（超音速振动细胞，模型130个，美国）的环境下超声30 分钟。一定量的沉积物被添加被在温度30摄氏度黑暗环境的180转每分钟的旋转振动筛中晃动12个小时，让多壁碳纳米管和沉积物充分的接触。此外，控制样品仅由沉积物和纯的多壁碳纳米管组成然后加到Milli-Q水制备机中，以180转每分钟转动12小时，在同样的环境下。于是，污染的沉积物悬浮液带有多壁碳纳米管的样品在50摄氏度的烧瓶中热干燥。然后轻轻地用砂浆去除凝结物在做接下来的实验之前。对于老化实验，把装有含有3%碳纳米管的泥沙悬浮液的烧瓶密封保存与室温下，并放在黑暗之中。

悬浮溶液每隔10天再悬浮一次在转速为180转每分钟的振动筛中持续12 个小时，温度为30摄氏度。在一个月，两个月，四个月，六个月的时候，沉积物的碳纳米管混合液在50摄氏度的烧瓶中干燥，并用砂浆去除凝结物在进一步实验之前。控制样本（即，泥沙和纯碳纳米管样品）在相同条件下老化程度相同。

2.3 表征

掺有多壁碳纳米管的受污染沉积物和单纯的沉积物的形态将被调查，使用电子显微镜（SEM，日立S-4800型）在5kV的电压下。

沉积物的比表面积和孔径分布，还有多壁碳纳米管污染的沉积物，预计采用氮吸附脱附，在77K采用ASAP2020仪器进行。样品在110摄氏度的环境中脱气6和小时，已去除其中的水分。然后将氮气逐渐排放到样品中已获得吸附等温线。当气压达到可以获得解吸等温线的饱和点时将氮气从样品中去除。等多的细节可以参考其他人的资料^[12]。晶体管比表面积、泥沙总表面积将被计算出来通过氮气吸附等温线，通过BET法等温线的方法。当六分仪器代替外表面微区，利用t-plot方法分别计算出，通过利用氮气吸附等温线^[32]。基于所有样品的氮气吸附解吸等温线，利用尼泊尔方程式从气孔分布来评估平均孔径^[33]。

利用红外设备执行样品的傅里叶变换红外光谱。样品在进行分析前进行干燥处理，利用溴化钾将样品和泥土混合，质量比为1:100。吸收光谱被记录在频率范围4000-600cm^-1。基线变化被用来纠正基线，以减少系统误差。

2.4 等温吸附实验

吸附等温实验在一系列的200毫升锥形瓶中。0.5克被多壁碳纳米管污染的沉积物和50毫升的磺胺甲恶唑溶液（浓度范围为0.5-50mg/L）被添加到锥形瓶中。以往的研究表明磺胺甲恶唑吸附平衡在水和沉积物中间建立在24小时之内^[34]。因此，锥形瓶要在黑暗中的旋转摇床上以180转没分钟持续24小时。该实验在30摄氏度的气温下进行。老化的受3%多壁碳纳米管污染的沉积物在同样的环境情况下进行处理。磺胺甲恶唑的吸附等温线对于控制样品来说，在相同条件下也被确定。25毫克多壁碳纳米管和50 毫升磺胺甲恶唑溶液被添加到里面，用来增加聚集效应。

在吸附平衡后，PH值在测定时没有太大的变化。上清液用孔径为0.45微米的过滤器过滤，并用高效液相色谱仪对液体进行分析。

2.5 统计分析

所有的测试都是一式三份，结果以标准偏差表示。在所有情况下，统计分析用SigmaPlot 12.5进行分析。不同的是判断P值小于0.05。

1. 结果并讨论

3.1 孔隙的表面性质

氮气吸附脱附等温线，比表面积和受多壁碳纳米管污染的沉积物的孔隙分布是探究沉积物表面特性变化的关键因素。图一描述了受多壁碳纳米管污染的沉积物的吸附等温线。由于多壁碳纳米管沉积物的比例增加，沉积物中氮气吸附的量有所增加，表明沉积物孔隙的数量是受多壁碳纳米管的显著影响，特别是那些比率较大的（3%-5%）（图形1）。由于毛细管冷凝，当蒸气压接近饱和点时，氮气吸附量急剧增加^[11]。因此，沉积物和受多壁碳纳米管污染的沉积物的吸附等温线的变现是根据多孔材料典型的多层吸附模型^[32]。沉积物和受污染的沉积物的吸附等温线中的滞后回线为B型，表明毛孔是接近平行墙的狭缝形毛细血管^[11,32]。当相对压力接近统一时，在吸附分支中由明显的上升，这是由于直到压力在平行壁形成的毛细血管中达到饱和点，液氮不能形成弯月面接口。然而，在解吸分支中，当相对压力为半

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[28471]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word