纳米氧化锌在土壤与水体中迁移与团聚行为研究

作     者：Altantuya Shijirbaatar（金光） 

作者单位：浙江工商大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙培德;方婧

授予年度：2015年

学科分类：083001[工学-环境科学] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：氧化锌纳米颗粒 迁移 石英砂 土壤 浓度 模型 天然胶体 沉淀速率 同质团聚 异质团聚 

摘      要：随着纳米材料的生产及其衍生产品的工业化应用的不断扩大,这种新型人造纳米材料(ENMs)的环境意义也引起了广泛的重视。纳米氧化锌(nZnO)作为应用为广泛的纳米材料之一,其对自然环境的影响在于其本身具有一定的毒性。因此,全面了解nZnO在自然环境中的迁移规律和存在形态对于正确评估及控制其对环境的风险是至关重要的。本文的第二部分通过实验室土柱实验,比较了几种重要的环境因素对nZnO在石英砂与土壤中迁移和截留行为的区别,环境影响因素为起始浓度和离子强度。在石英砂中,nZnO具有非常好的迁移能力,尤其是在C0较低的情况下,nZnO的C0越高,其流出浓度越低。相反地,在土壤中,C0较低时,nZnO在土壤中几乎被截留,且nZnO的流出浓度随着C0升高而增加。在两种介质中,截留曲线为超指数曲线,表明nZnO在土柱入口附近容易沉积。DLVO能量计算显示,不同体系间存在的能量势垒(Φmax)差别造成了nZnO在介质中截留程度的不同。nZnO-nZnO间的Φmax低于nZnO-石英砂间的能垒,因此,在石英砂中先前己沉积的nZnO成为了随后nZnO颗粒的吸附位置。而在土壤中先前沉积的nZnO增强了随后nZnO和土壤表面间的能垒,不利于nZnO沉积。通过两点动力学模型对nZnO的穿透曲线进行拟合,得到了很好地拟合效果,较好地解释了nZnO的迁移行为。在石英砂中,脱附作用较强于吸附作用(k1dk1a),张力作用系数(k2str)随着C0升高而升高;然而土壤表面对nZnO具有较强吸附作用,且吸附系数大于脱附系数(k1ak1d),张力作用系数(k2str)随着C0升高而降低。这些差别是造成nZnO在石英砂和土壤中不同迁移行为的主要原因。本论文的第三部分研究了在大运河水中不同尺寸的天然胶体存在或不存在情况下,nZnO和纳米二氧化钛(nTiO2)的共同沉淀和团聚行为。通过Stokes公式和简化Smoluchowski-基础团聚-沉淀方程计算得到了nZnO和nTiO2在运河水中沉淀速率(Vs)、同质团聚系数(khom,crit)和异质团聚速率系数(khet,crit)。在含小于1 mm和25μm天然胶体运河水中nZnO和nTiO2的沉降规律类似,天然胶体的存在显著影响nZnO和nTiO2在运河水中的团聚和沉降行为。nZnO浓度增加对其沉降过程影响不明显,nTiO2的加入显著减慢nZnO的沉降。DLVO能量计算显示,nZnO-天然胶体和nTiO2-天然胶体间能量势垒(Φmax)和第二极小值(Φmin2)显著低于nZnO-nZnO和nTiO2-nTiO2的,说明nZnO和nTiO2更易倾向于与天然胶体发生异质性团聚。nZnO和nTiO2的沉降在不含天然胶体的运河水和去离子水中表现出相反的现象。在去离子水中,nZnO快速沉降,nTiO2的沉降缓慢。而在不含天然胶体运河水中,nZnO的沉降较缓慢,nTiO2的加入对nZnO的沉降的影响不明显;nTiO2的沉降较快,nZnO的存在能够降低nTiO2的沉降作用。由于nTiO2-nTiO2间Φmax和Φmin2的相对较低,nTiO2易于发生自团聚(同质团聚)作用而沉降。模型参数计算表现,在含天然胶体运河水中,nZnO和nTiO2的Vs和khet,crit最高,意味着nZnO和nTiO2容易与天然胶体形成异质性团聚。当在运河水中nZnO和nTiO2同时存在时,二者的稳定性明显提高,相应的Vs和khet,crit降低。在不含天然胶体运河水中,nZnO和nTiO2的沉淀行为与含天然胶体体系中不一样。在不含天然胶体运河水体系中,nZnO和nTiO2的Vs、Khom,crit和khet,crit显著低于含天然胶体运河水中的系数。nTiO2的加入降低了nZnO的Khom,crit而增加了其Khet,crit值。这个现象与天然河水中的溶解态有机质(DOC)的不同作用有关。总体来说,本项研究阐明了nZnO在石英砂和土壤中的迁移和截留行为的显著不同,在研究纳米材料在多孔介质中的迁移与截留时,石英砂并不能代替土壤介质。此外,不稳定纳米材料(即nZnO)在水环境中的环境行为受稳定的纳米材料(即nTiO2)的影响。模型预测结果表明了nZnO和nTiO2在自然环境中的转化行为,为纳米材料在环境中的转化研究提供了参考依据。