纳米碳管吸附有机污染物的研究是关系到纳米碳管作为吸附功能材料运用于环境领域的重要课题,也是评价纳米碳管及其被吸附有机污染物迁移和归宿等环境行为的基础工作。研究纳米碳管吸附有机污染物的行为、探讨纳米碳管与有机污染物间的作用机理,可以为纳米碳管作为潜在吸附材料大规模运用于环境治理和修复实践提供可行性判断依据,可以为环境中有机污染物被纳米碳管富集后引起有机污染物迁移和归宿改变提供信息,也可以为纳米碳管和被吸附有机污染物环境风险评价提供理论基础。 纳米碳管是相对较新的人工合成碳质材料,迄今为止关于纳米碳管吸附水溶液中有机污染物的研究报道为数不多,纳米碳管与有机污染物间作用机理尚未明晰,且缺乏系统研究不同理化性质有机污染物吸附到不同形态结构和表面性质纳米碳管上的行为和机理,因此纳米碳管吸附有机污染物的相关研究工作亟待深入开展。 本论文采用吸附实验系统研究了不同理化性质的有机污染物在具有不同种形态结构和表面性质的纳米碳管上的吸附行为,从微观角度探讨了有机污染物与纳米碳管间的作用机理。论文取得了如下有价值的研究成果： 1)有机污染物与纳米碳管间的吸附亲和力并不仅仅与有机污染物的疏水性和溶解度相关,而且与有机污染物极性、可极化度、芳香性以及官能团供给电子能力密切相关。非极性芳香族有机污染物与极性芳香族有机污染物可分别与纳米碳管表面产生π电子共轭作用和π-π电子供体-受体作用,进而增强芳香族有机污染物在纳米碳管上的吸附；非极性脂肪族有机污染物与纳米碳管结合时不能产生特殊作用,与碳纳米管的亲和力较弱。经正十六烷疏水标化后,有机污染物与纳米碳管间的相对吸附亲和力表现为极性芳香族有机污染物>非极性芳香族有机污染物>非极性脂肪族有机污染物。 2)含硝基的极性芳香族有机污染物在纳米碳管上吸附亲和力远大于疏水性相近或者更高的非极性芳香族有机污染物在纳米碳管上的吸附亲和力,其原因是硝基官能团的强吸电子效应使得苯环上π电子密度降低,含有硝基的芳香族有机污染物能作为电子受体与高度极化的碳纳米管表面富电子区域作为电子供体产生强π-π电子供体-受体作用。含羟基或氨基的极性芳香族有机污染物在纳米碳管上吸附远大于芳香度接近的非极性芳香族有机污染物,其原因是羟基或氨基是很好的供电子基团,含羟基或氨基的芳香族有机污染物能作为电子供体与极化后纳米碳管表面缺电子区域作为电子受体产生强π-π电子供体-受体作用。π-π电子供体-受体作用的强弱与极性芳香族有机污染物提供或者接受电子的官能团类别和数量密切相关。 3)小分子有机污染物在单位比表面积单壁纳米碳管、多壁纳米碳管以及石墨吸附性能接近,均以表面吸附为主,而大分子有机污染物在单壁纳米碳管和石墨上吸附强于多壁纳米碳管,其原因是受分子体积限制,阻碍了部分大分子与多壁纳米碳管管壁间吸附点位接触,导致“分子筛”效应。 4)常规氧化处理纳米碳管表面引入了含氧官能团,除含氨基极性有机污染物外,含氧官能团对极性和非极性有机污染物吸附均表现出抑制作用,其原因可能为水分子可与纳米碳管表面含氧官能团产生氢键作用,从而与有机污染物竞争纳米碳管表面而抑制了有机污染物的吸附。而对于含氨基的有机污染物,由于氨基含未成键孤对电子,含氨基的极性有机污染物与纳米碳管表面接触时能提供电子作为路易斯碱与纳米碳管表面正电荷区域作为路易斯酸发生路易斯酸碱对作用,从而弥补了水分子竞争效应对有机污染物吸附的抑制。 5)含羟基的极性有机污染物在溶液pH值高于其pKa值时主要呈离子态,虽然离子态羟基有机污染物亲水性能显著增加,但与此同时碱性条件离子态羟基有机污染物提供电子能力增强,提升了与纳米碳管表面π-π电子供体-受体作用,所以含羟基的极性有机污染物在纳米碳管上吸附能力并不一定降低。含氨基的极性有机污染物在溶液pH值低于其pKa值时主要呈离子态,酸性条件会削弱离子态氨基有机污染物提供电子能力,降低与纳米碳管表面π-π电子供体-受体作用和路易斯酸碱对作用,同时离子态的氨基有机污染物也受到纳米碳管表面酸性含氧官能团的静电排斥作用,这些因素导致了离子态氨基有机污染物在纳米碳管上吸附能力降低。