溶液环境对金属氧化物/水界面上NOM吸附过程中疏水效应的影响研究

论文摘要

天然有机物（Natural Organic Matter, NOM）和金属氧化物在自然水体中普遍存在。NOM是水中色、嗅、味的主要来源,也是水体污染的罪魁祸首之一；水中的金属氧化物通常的存在形式为矿物,因能吸附水中NOM而成为它们的载体。在自然环境中,大部分NOM通过各种作用吸附到矿物颗粒表面,这种吸附受溶液的化学条件（如pH和离子强度）和NOM以及金属氧化物等颗粒的性质的影响。吸附了NOM后的矿物等胶体颗粒稳定性增加,增加了水处理的难度和混凝剂的用量；另外NOM与水中重金属离子等微量污染物结合,延长污染物在水体中的停留时间,增加重金属离子等污染物处理的难度,影响了它们在环境中的形态、迁移、转化和生物有效性及毒性；水中NOM的存在还能造成膜污染、产生消毒副产物、造成管网的二次污染等,危害十分严重。由于水中NOM的一系列对水体和水处理工艺的影响,它的有效去除成为水化学领域的一个重要问题。由此,研究清楚水中NOM和金属氧化物间的相互作用机理是十分必要的,这样不仅可以有效的去除水中NOM,防止水污染的发生,也可以完善水处理工艺过程,提高水处理的效率。本文在课题组研究人员之前的研究基础上,针对水中溶解性有机物腐殖酸与金属氧化物颗粒纳米α-Fe2O3之间的吸附行为,采用TOC测试、傅里叶红外光谱分析、热重分析等实验技术手段,重点研究了溶液中pH值和离子强度I对腐殖酸在纳米α-Fe2O3颗粒/水界面上吸附的吸附密度变化、吸附后纳米α-Fe2O3腐殖酸复合体的亲疏水性变化以及腐殖酸大分子本身官能团种类和含量的变化三方面的影响,根据吸附密度曲线、热失重曲线、红外光谱图,讨论了腐殖酸在纳米α-Fe2O3颗粒/水界面上的吸附密度、吸附后复合体的亲疏水性以及腐殖酸分子本身官能团种类和含量随pH值和离子强度I的变化规律,以及上述三方面的相互影响,从而探讨了不同溶液环境对吸附过程中疏水效应的影响。文中采用热重分析的结果表明当离子强度为定值时,pH值从7变到12的过程中,纳米α-Fe203颗粒上吸附腐殖酸后形成的复合体的亲疏水性随着pH值的升高有两种变化趋势：一是,当离子强度为0、0.005、0.01和0.05mol/kg,随着pH的升高复合体的亲水性先减小后增大,疏水性先增大后减小；二是,当离子强度为0.001mol/kg,随着pH的升高复合体的亲水性降低,疏水性增强。当溶液中pH值为定值时,随着离子强度I的增加,纳米α-Fe203-腐殖酸复合体表现出的亲、疏水性交替变化的规律。本文应用红外光谱分析法对复合体的亲疏水性变化进行了分析,研究表明对吸附后纳米α-Fe2O3-腐殖酸复合体的亲疏水性变化起主导作用的可能是腐殖酸分子中亲水性的羟基OH、羰基C=O和疏水性的烷烃CH3。最后,本文采用吸附密度实验来评估溶液环境对腐殖酸在纳米α-Fe203颗粒上吸附行为和效果的影响效应,认为吸附密度的变化规律与吸附过程中形成的复合体亲疏水性密切相关,进而说明溶液环境的改变会对吸附行为产生重要的影响。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 天然有机物的基本特性
• 1.1.1 水中天然有机物NOM的分类
• 1.1.2 水中天然有机物NOM的来源
• 1.1.3 天然有机物NOM的物化特性及其表征技术
• 1.1.3.1 天然有机物NOM的物化特性
• 1.1.3.2 天然有机物NOM的表征技术
• 1.1.4 天然有机物NOM对水质及水处理过程的影响
• 1.1.4.1 NOM对水中颗粒稳定性的影响
• 1.1.4.2 NOM与重金属等微量污染物反应
• 1.1.4.3 NOM加速滤膜的堵塞
• 1.1.4.4 NOM产生卤代消毒副产物
• 1.1.4.5 NOM促使管网腐蚀和二次污染
• 1.1.4.6 NOM引起水体色、嗅、味的变化
• 1.2 金属氧化物
• 1.3 吸附机理
• 1.3.1 配位交换
• 1.3.2 阴离子交换
• 1.3.3 架桥作用
• 1.3.4 范德华作用力
• 1.3.5 静电作用力
• 1.3.6 疏水作用
• 1.4 疏水作用的研究进展
• 1.5 影响天然有机物在金属氧化物上吸附的环境条件
• 1.5.1 pH值对吸附的影响
• 1.5.2 离子强度对吸附的影响
• 1.6 本课题研究的目的、意义及内容
• 1.6.1 课题研究的目的和意义
• 1.6.2 课题来源
• 1.6.3 课题研究的内容
• 2 实验与分析方法
• 2.1 技术路线
• 2.2 实验药品和仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 腐殖酸原溶液的配置
• 2.3.1.1 腐殖酸提纯
• 2.3.1.2 腐殖酸原液的配置
• 2O₃颗粒的制备'>2.3.2 纳米α-Fe₂O₃颗粒的制备
• 2.3.3 吸附实验
• 2O₃颗粒浓度的确定'>2.3.3.1 腐殖酸和纳米α-Fe₂O₃颗粒浓度的确定
• 2.3.3.2 溶液环境的确定
• 2O₃颗粒的吸附实验'>2.3.3.3 腐殖酸和纳米α-Fe₂O₃颗粒的吸附实验
• 2.4 分析方法
• 2.4.1 腐殖酸浓度分析
• 2.4.2 疏水作用的机理分析
• 2.4.2.1 热重分析法
• 2.4.2.2 红外光谱分析法
• 3 实验结果与分析
• 2O₃颗粒吸附腐殖酸大分子的影响'>3.1 pH值对纳米α-Fe₂O₃颗粒吸附腐殖酸大分子的影响
• 2O₃-腐殖酸复合体的亲疏水性的影响'>3.1.1 pH值对吸附后纳米α-Fe₂O₃-腐殖酸复合体的亲疏水性的影响
• 3.1.2 pH值对腐殖酸官能团种类和含量的影响
• 3.1.2.1 不同pH值条件下腐殖酸官能团种类的确定
• 3.1.2.2 pH值对腐殖酸官能团含量的影响
• 2O₃颗粒吸附腐殖酸大分子的影响'>3.2 离子强度Ⅰ对纳米α-Fe₂O₃颗粒吸附腐殖酸大分子的影响
• 2O₃-腐殖酸复合体的亲疏水性的影响'>3.2.1 离子强度Ⅰ对吸附后纳米α-Fe₂O₃-腐殖酸复合体的亲疏水性的影响
• 3.2.2 离子强度Ⅰ对腐殖酸官能团种类和含量的影响
• 3.2.2.1 pH值为7时离子强度Ⅰ对腐殖酸官能团种类和含量的影响
• 3.2.2.2 pH值为10时离子强度Ⅰ对腐殖酸官能团种类和含量的影响
• 3.2.2.3 pH值为12时离子强度Ⅰ对腐殖酸官能团种类和含量的影响
• 3.2.2.4 小结
• 3.3 溶液环境对吸附密度的影响分析
• 4 结论和展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文