高效檢測和去除飲用水中污染物的納米材料設(shè)計和作用機制的研究.pdf

1、納米科學(xué)作為一門新興學(xué)科，已經(jīng)引起了越來越多的關(guān)注。納米科學(xué)作為二十一世紀(jì)前沿科學(xué)，正在引領(lǐng)著各個學(xué)科，特別是交叉學(xué)科的發(fā)展。納米技術(shù)在環(huán)境科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是為環(huán)境科學(xué)提供了新的材料、工藝和技術(shù)保障。例如，納米技術(shù)可應(yīng)用于水體中污染物的檢測、原水的處理、自來水的深度凈化、污水處理以及再生回水的生產(chǎn)等等。與傳統(tǒng)的環(huán)境檢測及水處理方法相比，納米技術(shù)及處理工藝占地小，人力和能源消耗少，具有常規(guī)方法無法比擬的優(yōu)勢。納米技術(shù)應(yīng)用在污染物

2、監(jiān)測和水處理中已經(jīng)顯示出其巨大的優(yōu)越性和潛在應(yīng)用價值。本論文工作的主要內(nèi)容包括新型納米復(fù)合材料的設(shè)計與合成;新型納米材料應(yīng)用于污染物檢測和水處理的效果;以及相關(guān)過程的反應(yīng)動力學(xué)及機理的探討。
　　1.可水分散的磁性石墨烯-水滑石(MG-LDH)納米復(fù)合材料對水中砷酸鹽的吸附去除研究砷是一種有毒的元素，可以引起直接的和間接的健康問題如癌癥和黑變病。作為一個普遍的問題，處理被砷污染的廢水已經(jīng)引起了越來越多的關(guān)注。我們通過大量的實驗篩選

3、，設(shè)計合成了一種磁性石墨烯-水滑石(MG-LDH)納米復(fù)合材料應(yīng)用于水中砷酸鹽的吸附去除。實驗證明MG-LDH納米復(fù)合材料相對于純的水滑石(LDH)，對砷酸鹽具有更高的吸附能力。該納米復(fù)合材料很容易在水中分散，并且可以通過外加磁場進(jìn)行回收分離，從而大大提高了其使用效率。一方面，磁性石墨烯(MG)的摻入，極大的增加了該復(fù)合材料的比表面積，從而為吸附砷酸鹽提供更多的活性位點。另一方面，引入物理和化學(xué)上都很穩(wěn)定的石墨烯材料還可以提高該復(fù)合材料

4、的機械強度。MG-LDH能夠快速、高效的從溶液中吸附砷酸鹽，說明該材料可以作為潛在的能夠從大量污染水中預(yù)富集砷酸鹽的新型材料。
　　2.氯離子插層的水滑石(LDH-Cl)片狀納米材料應(yīng)用于實驗室污水及實際污染地下水的處理及機理研究。
　　砷污染地下水主要由自然過程和人類活動造成，在阿根廷、中國、智利、匈牙利、墨西哥以及最近發(fā)現(xiàn)在印度的孟加拉邦，孟加拉國和越南等地都發(fā)現(xiàn)了被砷污染的地下水。世界衛(wèi)生組織WHO以及美國環(huán)境保護(hù)組織

5、EPA已經(jīng)修改了飲用水中砷含量的標(biāo)準(zhǔn)值從50到10 ug/L。因此，為了達(dá)到新的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展新的技術(shù)和材料已經(jīng)迫在眉睫。本課題選取砷為目標(biāo)污染物進(jìn)行研究，從實驗室含砷廢水處理開始，逐步篩選出合適的納米材料或者納米復(fù)合體系進(jìn)行研究，最后應(yīng)用于實際的砷污染地下水的處理。最后我們篩選出了氯離子插層的Mg/Al水滑石應(yīng)用于含砷和有機腐殖質(zhì)(NOM)的實際污染地下水的處理。結(jié)果表明，該材料能同時去除被污染地下水中的砷和有機雜質(zhì)，并達(dá)到國家飲用

6、水標(biāo)準(zhǔn)。我們通過XRD，F(xiàn)TIR，XPS，SEM，TEM和EXAFS等表征手段，研究了該材料吸附的各個過程，為其進(jìn)一步的商業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　3.基于生物質(zhì)的碳薄膜負(fù)載Au納米顆粒作為高效的表面增強拉曼基底應(yīng)用于水中有機污染物的檢測表面增強拉曼散射(SERS)技術(shù)的應(yīng)用，為廉價高效的污染物檢測提供了新的手段和方法。設(shè)計和合成廉價高效的SERS基底，對于SERS技術(shù)的應(yīng)用具有重要的實際意義。我們使用了一種廉價的生物質(zhì)薄膜（雞

7、蛋殼膜）作為初始原料，設(shè)計合成了一種多孔碳膜支撐金納米顆粒(NPs)的復(fù)合薄膜材料，并研究了其作為表面增強拉曼散射(SERS)基底的性能。該材料作為新型的SERS基底，對羅丹明6G(R6G)的檢測具有很好的靈敏度，最低檢測限能達(dá)到1×10-9M。該檢測方法對R6G主要的拉曼信號峰具有較好的重現(xiàn)性，峰強度具有較小的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD=16.3％)。良好的SERS信號的獲得，是由于薄膜上密集堆積的金納米顆粒之間的強電子磁場耦合作用。而且該