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表面活性剂悬浮碳纳米管在孔隙介质中的运移研究

韩占涛  
【摘要】: 多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs)是一种已经广泛生产和使用的纳米材料,它往往通过多种方法制成悬浮液来使用,在生产、运输和使用过程中有可能排放进入环境,水-土环境是排入环境中的MWCNTs的最终归宿。碳纳米管难降解,在特定条件下对于人类细胞和微生物是有害的,它对许多有机污染物和无机重金属有较好的吸附作用,进入水土环境的MWCNTs可能会由于吸附作用而改变这些污染物的环境行为。了解碳纳米管在水体中的悬浮机制及其影响因子,以及其在土壤和含水层中的运移和归宿是评价其环境影响的重要基础。 本项研究利用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、曲拉通X100 (Triton X100)和十六烷基三甲基澳化铵(CTAB)制备了可稳定悬浮的MWCNTs悬浮液。并首次探索了粘土矿物对三种表面活性剂悬浮的多壁碳纳米管的影响机制,揭示了高岭石对CTAB悬浮的多壁碳纳米管的特殊吸附作用;本文还首次研究了表面活性剂悬浮的多壁碳纳米管在环境土体中的运移规律,并得出一系列重要成果: 1、MWCNTs可以被较低浓度(40ppm)的常用阴离子表面活性剂(SDBS)、阳离子表面活性剂(CTAB)和中性表面活性剂(TX100)悬浮,并在较长时间内保持悬浮状态。 2、粘土矿物可通过多种机制影响表面活性剂悬浮的MWCNTs的稳定:(1)从粘土矿物中释放离子进入悬浮液;(2)改变悬浮液的pH值;(3)吸附表面活性剂而使悬浮液失稳;(4)直接吸附悬浮的MWCNTs。粘土矿物主要通过吸附表面活性剂而使MWCNTs悬浮液失稳。只有在CTAB-MWCNTs中加入高岭石的情况下,高岭石直接吸附CTAB悬浮的MWCNTs,从而使MWCNTs与高岭石共沉淀。 3、阳离子表面活性剂CTAB悬浮的MWCNTs难以在环境土体或含水层中运移; 4、悬浮性MWCNTs难以在粘性土层中运移; 5、在较粗颗粒的含水层中,粘土矿物的存在会显著降低MWCNTs的运移能力; 6、二价离子的存在会显著降低MWCNTs在环境土体或含水层中的运移能力; 7、石英砂表面覆盖腐殖酸后会增加MWCNTs在其中的运移能力; 8、在有较低浓度CaCl2存在的情况下,SDBS悬浮的MWCNTs和TX100悬浮的MWCNTs在纯石英砂中的运移距离可达3m左右,当加入粘土矿物后其运移距离就会大幅度减小。在有腐殖酸覆盖的石英砂中的运移距离会加大,达到10m左右。MWCNTs在天然砂中的运移距离小于在纯石英砂中。


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