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氧化石墨烯和五价砷在改性多孔介质中的共迁移特征.docx

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氧化石墨烯和五价砷在改性多孔介质中的共迁移特征.docx

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文档介绍:该【氧化石墨烯和五价砷在改性多孔介质中的共迁移特征 】是由【科技星球】上传分享,文档一共【24】页,该文档可以免费在线阅读,需要了解更多关于【氧化石墨烯和五价砷在改性多孔介质中的共迁移特征 】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。氧化石墨烯和五价***在改性多孔介质中的共迁移特征??孟庆涛,管多,姜延吉,孙慧敏,殷宪强,王农氧化石墨烯和五价***在改性多孔介质中的共迁移特征孟庆涛1,2,3,管多3,姜延吉3,孙慧敏3,殷宪强3※,王农4(,兰州730000;,北京100049;,杨凌712100;,天津300191)***是农田土壤重金属污染的主要元素之一,在***污染农田土壤的修复过程中往往忽视纳米颗粒能够使结合态的***重新释放,导致有效态***浓度升高,探究土壤中黏土矿物对氧化石墨烯(GrapheneOxide,GO)和五价***(As(V))在多孔介质中迁移行为的影响,对进一步完善农田土壤***修复理论以及提高农作物产量、保护人体健康具有重要意义。该研究利用蒙脱石和高岭石改性石英砂,通过砂柱迁移试验系统地研究了GO、As(V)和GO-As(V)在填加0%、10%、30%和50%的蒙脱石和高岭石改性石英砂柱中的迁移行为。研究结果表明,随着高岭石和蒙脱石改性石英砂填加比例的增加,GO和As(V)的迁移能力均呈降低趋势,且GO和As(V)在不同条件下的迁移曲线均存在显著差异();GO在50%高岭石和蒙脱石改性石英砂柱中的回收率相对于石英砂柱分别下降了14%和17%,As(V)分别下降了15%和12%;在共迁移试验中,GO和As(V)在石英砂柱中回收率分别上升至99%和100%。分析表明,As(V)在蒙脱石改性石英砂柱中的迁移能力大于高岭石改性石英砂,而GO与之相反;当GO和与As(V)共迁移时,二者在介质中的迁移能力均大于其单独迁移。本研究表明GO、As(V)释放到土壤后,能够加速As(V)的迁移,造成土壤***污染的扩大化。重金属;土壤;水;氧化石墨烯;高岭石;蒙脱石;五价***;迁移0引言五价***(As(V))是环境中常见的污染物之一[1]。在各种生产实践活动中As(V)会以不同的方式进入农田土壤中,农田土壤中As(V)浓度的升高引起了人们对农作物质量安全的担忧[2]。针对农田土壤中As(V)的污染现状及其可能的环境风险,众多学者开展了农田As(V)污染修复的研究[3-4],但是在农田土壤修复过程中,往往忽视了土壤中的纳米颗粒对As(V)的释放、迁移的影响。有相当多的证据表明,非水相流动胶体可以将As(V)输送相当长的距离[5-6]。Ishak等[5]的研究证明土壤浸出液中As(V)的浓度与浊度相关。当用去离子水冲洗土柱时,氧化铁胶体可以促进As(V)的迁移[6]。氧化石墨烯(GrapheneOxide,GO)是一种具有特殊二维结构的碳基纳米材料。目前,GO广泛应用于电子、生物、储能和光学等众多领域[7]。众多含氧官能团和高比表面积性质使GO表现出良好的水溶性和对污染物产生极强的吸附能力[8-9],GO进入环境后可作为污染物的载体而携带污染物在地下水环境中迁移[10-11]。例如,一些砂柱迁移试验探究了GO和污染物的协同迁移行为,GO能够释放滞留在砂柱中二价铅(Pb(II))、二价镉(Cd(II))、二价铜(Cu(II))和六价铀(U(VI))等重金属污染物,并促进其迁移[12-14]。另外,Liu等[15]研究表明GO也可促进有机污染物的迁移。综上,GO对As(V)在土壤介质中的迁移也具有重要影响,GO可以改变As(V)与土壤的结合形式,增加As(V)在土壤中的移动性与生物有效性。但As(V)与GO在介质中迁移行为的研究鲜见报道。黏土矿物是土壤中活性较强的固体成分,在影响污染物的迁移转化方面起着重要的作用[16-19]。Selim等[20]发现***在土壤中的运移主要受固体基质表面吸附-解吸过程的控制。Constantinos等[21]和Indranil等[22]研究表明溶液中存在黏土矿物胶体时会抑制GO的迁移,其抑制能力最高是高岭石,其次是蒙脱石和伊利石。但这些研究是探究溶液中存在黏土矿物胶体时对GO和As(V)迁移的影响,而针对介质表面固定黏土矿物对GO和As(V)共迁移影响的研究还未开展,关于不同黏土矿物间对GO和As(V)运移的差异研究目前也处于空白。因此,本研究以GO、As(V)在蒙脱石、高岭石改性石英砂柱中的迁移为研究对象,深入分析GO、As(V)在黏土矿物改性介质中的共迁移行为,揭示GO、As(V)与土壤黏土矿物之间的相互作用,加深GO对As(V)在土壤介质中迁移影响的认知和理解,以期进一步完善纳米颗粒对土壤中As(V)迁移的理论,为土壤As(V)污染修复和毒性控制提供依据,并促进对农田作物和人体健康的有效保护。(GO)购自先丰纳米公司(中国南京)。将20mg的GO加入1L蒸馏水中,使用超声波清洗器(KQ-500DE,昆山超声波仪器公司,中国)超声分散120min,制得20mg/LGO储备液,调节储备液pH值为6。(V)储备液。,制得20mg/LGO-As(V)储备液(迁移试验前超声分散均匀)。aCl浓度为1mmol/L的背景溶液。使用ZetasizernanoZS90(MalvernInstrumentsInc.,UK)测定GO的Zeta电位和水合粒径。GO的水合粒径为(±)nm,Zeta电位为(?±)mV;GO-As(V)的Zeta电位为(?±)mV。(周至县秦丰石英砂厂)~,用蒸馏水搓洗、浸泡24h,之后依次分别用酸碱搓洗、浸泡24h,以除去石英砂表面的金属离子和胶体物质[23],再使用蒸馏水淘洗石英砂,105℃下烘干。蒙脱石、高岭石改性石英砂的制备[24]:在1L的蒸馏水中加入10g的黏土矿物,搅拌,加入50mLH2O2去除黏土矿物中的有机物,通过重力沉降获得直径小于2m的黏土矿物悬浮液。在悬浮液中加入500mg/L聚乙烯醇溶液100mL。将黏土-聚合物复合溶液与石英砂混合静置24h,之后在80℃下烘干24h,用去离子水洗涤以除去未附着在石英砂表面的黏土矿物和聚乙烯醇,之后100℃下烘干24h备用。运用扫描电子显微镜X射线能谱仪(ScanningElectronMicroscopeandEnergyDispersiveSpectrometer,SEM-EDS,S-4800,日本)对改性石英砂的表面特征进行表征。表征结果如图1所示,石英砂表面涂覆的高岭石呈单体颗粒间分离,大小不同,多边形块状结构。石英砂表面涂覆的蒙脱石颗粒层层堆叠,呈无定形片状,具有孔状结构。材料中的铝元素(Al)和硅元素(Si)含量高表明高岭石和蒙脱石颗粒附着在了石英砂表面(图2)。注:C为碳;O为氧;Na为钠;Mg为镁;Al为铝;Si为硅;P为磷;K为钾;Ca为钙。、内径3cm的有机玻璃柱中,填充石英砂、改性石英砂进行GO、As(V)的迁移试验。为最大限度减少分层,排空砂柱中的空气,采用湿法填装石英砂柱[23]。在湿法填装过程中,共加入48mL蒸馏水,迁移柱的孔隙体积(PoreVolume,PV)设定为48mL,。试验前,使用蒸馏水持续冲洗砂柱,直至出流液中不含可见杂质。将填装比例0%、10%、30%和50%的改性石英砂(蒙脱石、高岭石)与未改性石英砂混匀,采用湿法装填迁移砂柱。迁移试验分为2个部分,1)用NaCl背景溶液(浓度为1mmol/L,pH值为6)冲洗砂柱以平衡迁移条件,之后分别输入60mL的20mg/LGO、20mg/LAs(V),最后将冲洗液切换为背景溶液继续冲洗,直至出流液中无GO、As(V);2)用NaCl背景溶液冲洗以平衡迁移条件,将60mL的GO-As(V)(20mg/LGO、20mg/LAs(V))混合溶液输入砂柱,之后再将冲洗液切换为背景溶液继续冲洗,直至出流液中无GO、As(V)。砂柱迁移试验重复2次。试验流速通过蠕动泵(HL-2B,上海沪西分析仪器有限公司)控制为1mL/min。使用自动收集器(EBS-20,上海沪西分析仪器有限公司)收集出流液。通过紫外-可见分光光度计(UV-2800,上海尤尼柯仪器有限公司)在波长229nm下测定GO的浓度[25]。As(V)的浓度使用火焰石墨炉原子吸收光谱仪(PinAAciie900F,美国珀金埃尔默有限公司)进行测定。使用ZetasizernanoZS90测定0%、10%、30%和50%改性石英砂表面的Zeta电位[26]。测定方如下:迁移试验前,从砂柱中取出完整的石英砂置于背景溶液中,超声10min后浸泡6h,测定溶液的Zeta电位。纯石英砂的Zeta电位为(?±)mV;10%、30%和50%高岭石改性石英砂的Zeta电位分别为(?±)、(?±)和(?±)mV;10%、30%和50%蒙脱石改性石英砂的Zeta电位分别为(?±)、(?±)和(?±)mV。-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论用于计算GO和石英砂表面的相互作用力[12],通常用来解释胶体在多孔介质中的迁移行为。DLVO能(ΔDLVO,kT)是范德华作用能(ΔEL,kT)和静电作用能(ΔLW,kT)两相互作用能的总和,计算如式(1)所示。ΔDLVO=ΔLW+ΔEL(1)MicrosoftExcel软件用于处理标准偏差。通过质量守恒计算As(V)和GO的回收率(%)。不同因素对As(V)和GO迁移影响的差异使用t检验的配对样本检验进行分析,。***、氧化石墨烯在改性石英砂中的单独迁移As(V)在高岭石、蒙脱石改性石英砂柱中的迁移曲线如图3所示。图3不同改性石英砂填加量下五价***(As(V))的迁移曲线As(V)在蒙脱石比例为0%、10%、30%和50%的改性石英砂柱中呈现出不同的迁移曲线(图3a)。纯石英砂柱中,(V)被检出,之后As(V)浓度迅速升高,在PV为2处达到峰值,,表明As(V)在纯石英砂柱中的迁移性极强。对比图3a和图3b中的迁移曲线发现,随着砂柱中蒙脱石和高岭石改性石英砂填加比例的增大,As(V)在砂柱中的沉积量逐渐增加。As(V)在比例为0%、10%、30%和50%蒙脱石改性石英砂柱中的回收率分别为94%、92%、88%和82%,在相应比例高岭石改性石英砂柱中的回收率分别为94%、89%、83%和79%(表1)。As(V)在50%蒙脱石改性石英砂柱中的回收率相对于纯石英砂柱下降了12%,在高岭石改性石英砂柱的回收率下降了15%,通过t检验的配对样本检验进行差异分析发现在不同比例间As(V)的迁移均呈显著性差异()。GO在不同质量比例的蒙脱石、高岭石改性石英砂柱中的穿透曲如图4所示。在纯石英砂柱中,GO几乎全部流出砂柱,表明GO在纯石英砂中不受阻滞作用。GO在10%蒙脱石改性石英砂柱中的迁移曲线与纯石英砂柱中的迁移曲线差异不显著(),表明较低含量的蒙脱石改性石英砂对GO的迁移影响较小。GO在50%蒙脱石改性石英砂柱中的回收率相对于纯石英砂柱下降了17%,经过t检验-配对样本检验进行差异分析发现,GO在纯石英砂和10%蒙脱石改性石英砂中的迁移曲线与30%和50%蒙脱石改性石英砂柱中的迁移曲线呈显著性差异()。结果表明随着蒙脱石改性石英砂填加量的进一步增加,GO受到的阻滞作用愈加明显。与填加不同比例蒙脱石改性石英砂的结果类似,随着高岭石改性石英砂所占比例的增加,GO的迁移能力也随之下降(图4b),根据质量平衡计算,GO在高岭石改性石英砂填加比例为0%、10%、30%和50%的砂柱中的回收率分别为96%、91%、87%和82%(表1)。GO在不同比例高岭石改性石英砂柱中的迁移曲线均存在显著差异()。***在改性石英砂中的共迁移GO与As(V)在蒙脱石和高岭石改性石英砂柱中的共迁移曲线(图5),其中图5a和图5b分别为GO-As在高岭石和蒙脱石改性石英砂柱中GO的迁移曲线。在纯石英砂柱中,GO的回收率为99%(表1),相比于单独迁移的96%,回收率有所上升,但两者的穿透曲线无显著差异()。10%、30%和50%填加比例的高岭石改性石英砂中GO的回收率分别为96%、95%和93%;蒙脱石改性石英砂中GO的回收率分别为97%、90%和84%(表1)。可知GO-As(V)共迁移中GO在砂柱中具有很强的迁移性,且迁移能力高于单独迁移的GO。GO-As(V)在高岭石和蒙脱石改性石英砂柱中As(V)的迁移曲线见图5c和图5d。As(V)的迁移曲线与GO保持一致,,之后浓度迅速升高,在PV为2处出流液浓度达到峰值。根据质量守恒计算,As(V)在填加0%、10%、30%和50%高岭石改性石英砂柱中的回收率依次为100%、97%、91%和85%,蒙脱石改性石英砂柱中的回收率依次为100%、98%、94%和92%(表1),表明高岭石改性石英砂对As(V)的滞留能力高于蒙脱石改性石英砂。表1五价***(As(V))和氧化石墨烯在填加不同比例改性石英砂柱中的回收率