水环境中天然有机质与碳纳米管对汞和甲基汞的吸附及转化的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 张 丹 |
| 答辩日期 | 2017-05 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 刘 景 富 |
| 关键词 | 汞 甲基汞 Hg2++ 天然有机质 Mehg 分子量 Natural Organic Matter 多壁碳纳米管 Molecular Weight Multi-walled Carbon Nanotubes |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 其他题名 | Effects of natural organic matter and carbon nanotubes on the sorption and transformation of mercury and methylmercury in aqueous environment |
| 英文摘要 | 汞作为一种全球性污染物，由于它具有长距离迁移性和生物富集性等特点， 受到人们的广泛关注。汞的化合物均有毒性，其中甲基汞是毒性最强的汞化合物。 汞在水环境中的迁移和转化受很多环境因素影响。水环境中普遍存在的天然有机 质（Natural organic matter, NOM）和随着纳米技术的快速发展而进入环境的碳纳 米管等人工纳米材料，因对汞和甲基汞具有很强的吸附作用，可影响水环境中汞 的迁移转化过程和生物效应。 NOM是环境介质的重要组成部分，它具有复杂的组成和丰富的官能团，极 易与环境中的汞和甲基汞发生络合等化学反应，从而影响其在环境中的转化、归 趋和毒性。NOM的分子量跨度极大，不同分子量 NOM的结构、物理化学性质 等存在明显差异性。因而，研究不同分子量 NOM对环境中汞和甲基汞的环境行 为和归趋的影响具有十分重要的环境意义。此外，随着纳米技术的发展，纳米材 料的应用日益广泛。例如，碳纳米管等纳米材料因其良好的吸附性能可被作为吸 附剂用于重金属污染的废水处理中。与 NOM结构相类似，经修饰处理后的碳纳 米管也含有丰富羟基、氨基、羧基等官能团，这些官能团同样能与溶液中的汞和 甲基汞发生络合等反应，从而影响水环境中汞和甲基汞的迁移和转化。 本文主要研究水环境中汞、甲基汞在不同分子量 NOM中的分布和不同官能 团修饰碳纳米管上吸附特征及其不同分子量 NOM对甲基汞光降解的影响，包括 以下几部分内容： 首先，我们以国际腐殖酸协会推荐的苏维尼河 NOM为模型，研究了汞和甲 基汞在不同分子量 NOM中的分布特征，同时考察了含巯基小分子半胱氨酸和 pH 值对其分布的影响。我们采用光还原蒸汽发生，高效液相尺寸排阻色谱与电感耦 合等离子体质谱联用技术，利用同位素示踪手段，研究了汞和甲基汞在不同分子 量 NOM中的分布特征。结果表明，当汞和甲基汞同时分布于 NOM中时，汞与 NOM结合物的分子量普遍高于甲基汞与 NOM结合物的分子量，说明汞倾向于 分布在更高分子量 NOM中，而甲基汞更多的分布在低分子量 NOM中。汞和甲 基汞在 NOM中的分布与 pH有很强的相关性。在不同 pH条件下，在相同 NOM 组分中，Hg2+与 NOM结合物分子量，随 pH值增加而先降低后增加。在不同 pH 条件下，在> 10 kD组分中，甲基汞与 NOM结合物分子量随 pH增加而增加。我 们的研究表明，半胱氨酸可与 NOM竞争结合汞和甲基汞，优先结合形成更稳定 的物质。因此，汞和甲基汞在不同分子量 NOM中的分布受含巯基小分子物质和 pH影响，研究汞和甲基汞在实际环境水体中的分布特征要考虑水体成分及 pH 影响。 其次，利用同位素稀释技术考察了不同分子量 NOM与其他环境相关因素对甲基汞光降解的影响及其机制。结果发现，甲基汞在去离子水中不能被降解，这 就排除了甲基汞直接光降解的途径；NOM或者 Fe3+的单独存在均可诱发甲基汞 光降解；但是，共存的 NOM（2 mg C L-1）可以显著地抑制 Fe3+介导的降解，降 解速率从 0.74±0.01 d-1降到 0.37±0.03 d-1。这些结果表明，NOM在甲基汞光降 解中有复杂的作用。进一步的研究发现，在不同分子量 NOM存在下，甲基汞表 现出不同的光降解速率。高浓度NOM引起的光屏蔽效应可以抑制甲基汞光降解， 特别是对于高分子量 NOM，这种屏蔽效应尤其显著，矫正前后降解速率分别为 0.09±0.007 d-1和 0.29±0.02 d-1。在不同分子量 NOM存在下，甲基汞光降解还 受到光照波长的影响，其中紫外光部分在甲基汞降解中贡献率大于 83%。此外， 在不同分子量 NOM存在下，pH对甲基汞光降解影响比较复杂。pH为 5.0到 7.0 没有明显影响，pH为 8.0时降解速率降低，pH为 9.0时降解速率增加。低浓度 氯离子存在有利于甲基汞降解，高浓度氯离子对降解产生抑制作用。随着硝酸根 离子浓度增加，甲基汞的降解速率先增加后降低，这主要是由于硝酸根离子产生 羟基自由基的促进作用和光屏蔽效应引起的抑制效应。本研究有助于理解表层水 中 NOM和其他环境因素在甲基汞光降解中所起的关键作用。 最后，以不同官能团修饰的碳纳米管为例，考察了纳米材料对水环境中汞和 甲基汞的吸附行为。分别研究了羟基、氨基、羧基修饰的多壁碳纳米管 （MWCNTs）对水中汞和甲基汞的吸附行为，并考察了初始 pH值、NOM、氯 离子、吸附剂投加量对吸附行为的影响。研究发现，在各种 pH下，氨基修饰的 MWCNTs对汞和甲基汞有很强的吸附作用，去除效率达到 92%以上。NOM对吸 附的影响比较复杂，这主要是由于 MWCNTs可以吸附 NOM，同时也可以吸附 汞和甲基汞，MWCNTs与 NOM形成的复合物也吸附汞和甲基汞。氯离子对吸 附有很强的抑制作用，这是因为在溶液中生成了汞和甲基汞的稳定的氯化物。吸 附剂投加量的增加能增加汞和甲基汞在 MWCNTs上的吸附效率。我们使用 Langmuir，Frendlich，Dubinin-Redushkevich和 Temkin四种热力学模型描述汞和 甲基汞在 MWCNTs上的吸附行为。结果表明，汞在 MWCNTs上的吸附属于不 均匀的化学吸附；甲基汞在 MWCNTs上的吸附属于均匀的化学吸附。拟二级动 力学模型能更好地表达汞和甲基汞在 MWCNTs上的吸附过程。我们的研究发现， 不同官能团修饰的 MWCNTs对水中汞和甲基汞有高效的吸附，但吸附效率受初 始 pH值、NOM、氯离子、吸附剂投加量的影响。本研究结果对评估 MWCNTs 进入环境后对汞和甲基汞的环境行为的潜在影响具有参考价值。 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/38742]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境化学与生态毒理学国家重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院生态环境研究中心 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张 丹. 水环境中天然有机质与碳纳米管对汞和甲基汞的吸附及转化的影响[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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