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纳米材料的出现与广泛应用使人们越来越关注其环境效应与毒理性质。纳米材料具有许多优良独特的理化性质,如高比表面积、强反应活性等,使其在众多领域中被广泛应用。例如,纳米氧化镍可以作为催化剂、蓄电池电极、气敏材料、添加剂等。纳米氧化镍随废弃物排放到环境中后,将沉积于土壤及水体沉积物中,可能会与环境中的有机污染物发生吸附作用。纳米氧化镍具有巨大的比表面积和表面能,对有机污染物有很强的吸附潜力,可能会影响有机污染物在环境中的迁移、转化和归趋,然而关于纳米氧化镍吸附有机污染物的报道并不多见。
做为应用最广泛的抗生素,四环素的长期大量使用使其在水体和土壤中被频繁地检测出,并维持着较高的浓度,这将对生态系统和人类健康构成严重威胁。因此,本文选用四环素为目标污染物,以常态氧化镍为对比,研究了纳米氧化镍对四环素吸附的强弱与作用机制,并对环境水化学条件对吸附的影响进行了探讨,为评估纳米氧化镍的环境效应提供了理论基础和科学依据。
本文主要内容包括以下两部分:第一,环境条件下纳米氧化镍对四环素的吸附亲和力;第二,不同水化学条件,如pH值及金属离子,对纳米氧化镍吸附四环素能力的影响。
实验主要结果总结如下:
1)两种氧化镍对四环素的吸附均符合Freundlich模型,且纳米氧化镍对四环素的吸附强于常态氧化镍,而吸附材料经比表面积标化后,纳米氧化镍的吸附弱于常态氧化镍,这表明,四环素吸附发生在氧化镍表面。结合两种氧化镍孔径表征结果(纳米氧化镍含有大量中孔,而常态氧化镍不存在中孔)及四环素分子尺寸,推测纳米氧化镍的中孔可能被四环素分子大量堵塞。
2)纳米氧化镍在pH值为中性条件下对四环素的吸附最强,且在碱性条件下的吸附强于在酸性条件下,这可能是因为四环素在纳米氧化镍上的吸附以表面络合作用及静电力作用为主,因为四环素在中性条件下以双性离子形态存在。
3)铜离子的加入大大促进了四环素的吸附,尤其水溶液pH值为5至8之间时。铜离子促进吸附程度与加入的初始铜离子浓度有关,并存在一个最大促进值,然而钙离子的加入对四环素的吸附几乎无影响。由此推测,铜离子促进四环素吸附的机理可能是络合作用及表面沉积作用。而pH=5条件下的铜离子对吸附影响的实验结果显示,虽然没有发生沉积作用,铜离子仍能促进四环素吸附,验证了铜离子络合作用的存在。pH值及铜离子共同影响下,实验样品的水相铜离子浓度与四环素浓度呈现出的良好正相关性,进一步验证铜离子的络合作用。
4)在碱性条件下,四环素的加入促进镍离子释放,这是四环素与镍离子发生络合作用促进镍离子溶解的结果,这也验证了氧化镍吸附四环素时存在表面络合作用。而酸性条件下,与常态氧化镍相比,四环素的加入极大地抑制了纳米氧化镍释放镍离子,这验证了纳米氧化镍吸附四环素时其中孔被大量堵塞。