石墨烯与多氯联苯的相互作用及其在土壤介质中的共迁移机制

Graphene, as a novel two-dimensional carbon nanomaterial, and polychlorinated biphenyls (PCBs) are both applied in electrical appliances, printing, chemical industries and so on. As the usage of graphene is increasing, its coexistence with PCBs in environment has gradually aroused concern. The interaction between graphene and PCBs could affect the transport and further risk of PCBs in environment. However, the interaction mechanism between graphene and PCBs and their cotransporting mechanism in soil are still unclear. In the project, graphene with different oxygen-containing groups will be prepared from graphite through surface chemical reactions. By batch sorption equilibrium method, column leaching method, and many modern spectroscopy and microscopy, adsorption and desorption behavior of PCBs on graphene and cotransporting behavior of graphene and PCBs in quartz sand and soil column will be investigated. The objectives of this study are to explore the relationship between the surface structure of graphene, the molecular structure of PCBs and their interaction, identify the influence of environmental factors on the adsorption and desorption, elucidate the adsorption mechanisms of PCBs on graphene at the molecular level, and reveal the cotransporting mechanism of graphene and PCBs in soil and the influencing factors, which will provide scientific basis for rationally evaluating the environmental risks of graphene and PCBs and controlling their pollution.

石墨烯是一种新型二维碳纳米材料，这种材料和多氯联苯（PCBs）均应用于电器、印刷、化工等行业。随着石墨烯使用量的不断增大，其和PCBs在环境中的共存现象逐渐引起关注。石墨烯与PCBs的相互作用会影响PCBs在环境中的迁移行为，进而影响其环境风险。然而关于石墨烯与PCBs之间的作用机制以及在土壤介质中的共迁移机制还不清楚。本项目拟以石墨为原料，通过表面化学反应获得具有不同含氧官能团的石墨烯，利用批量吸附平衡法和柱淋溶法，结合多种现代光谱和显微技术，研究PCBs在石墨烯上的吸附解吸行为及两者在石英砂柱和土柱中的共迁移行为，探明石墨烯的表面结构和PCBs的分子结构与两者相互作用的内在关系，明确环境因素对吸附解吸的影响，在分子水平上阐明石墨烯对PCBs的吸附机理，揭示石墨烯与PCBs在土壤介质中的共迁移机制及影响因素，以期为正确评价石墨烯和PCBs的环境风险及污染控制提供科学依据。

随着生产量和使用量的不断增大，石墨烯的生态环境风险逐渐成为环境学家关注的热点问题。石墨烯的生态环境风险不仅包括其自身的生态环境效应，由于其具有巨大的比表面积，石墨烯对环境中的污染物可能存在强烈的吸附作用，进而可能会影响到污染物的环境行为和生物有效性。基于此，本项目以典型的持久性有机污染物PCBs为代表性污染物，研究了石墨烯对PCBs的吸附行为，探讨了石墨烯的表面特性和PCBs的分子结构性质对石墨烯吸附PCBs的影响，并采用红外光谱探究了其吸附机理；随后研究了不同环境因素（pH和温度）对石墨烯吸附PCBs的影响及机理；进一步研究了石墨烯对PCBs在植物中迁移转化的影响，同时为了系统了解石墨烯的生态环境风险，我们也研究了石墨烯对植物和土壤微生物的影响及机制。本研究主要结果如下：. 纯石墨烯、氧化石墨烯和磺化石墨烯对6种PCBs都具有较强的吸附能力，含氧官能团的存在明显抑制了石墨烯对PCBs的吸附能力。石墨烯对PCBs的吸附量与PCBs的Kow值呈显著正相关，分子平面性对石墨烯吸附PCBs具有较强的影响，邻氯的存在明显抑制了PCBs在石墨烯上的吸附。疏水相互作用对PCBs在石墨烯上吸附贡献较大。石墨烯的芳香环和PCBs的芳香环之间存在较强的π-π共轭作用是主要的吸附机制，此外，含氧官能团与PCBs分子之间存在的氢键作用和孔隙填充机制也是吸附机制之一。pH对不同PCBs在磺化石墨烯上的吸附影响较小，而对其在氧化石墨烯上的吸附影响较大，尤其是在PCBs浓度较低时。PCBs在磺化石墨烯上的吸附为放热反应，并且随着分子量和疏水性的增强，温度升高对其吸附的影响越大。而对于氧化石墨烯，温度影响相对较小，仅仅平面型分子（PCB77和PCB126）在氧化石墨烯上的吸附受温度影响较大。磺化石墨烯明显促进了玉米幼苗根部对PCB28的吸收和积累，然而降低了其在地上部茎和叶中的积累。磺化石墨烯的存在明显增加了PCB28的代谢产物（PCB8和PCB18）在根中的积累，而降低了其在茎和叶中的积累。本项目研究成果为科学客观的评价石墨烯的生态环境风险提供了理论支撑。