可溶性有机质对纳米氧化锌颗粒溶解的影响机制研究

With the development of nanotechnology, ZnO nanoparticles are inevitably released into the environment due to their expanding production and application, and cause potential ecological risks. As an important environmental behavior, dissolution of ZnO nanoparticles strongly influences their ecological toxicity. Therefore, research on dissolution of ZnO nanoparticles is of significance to understand their environmental behaviors and ecological risks. In this project, a Donnan membrane technique is established to measure the dissolution of ZnO nanoparticles and the release of free Zn2+ by building Donnan membrane system, followed by parameters (pH, ions, sampling time, etc) optimization with comparison between Donnan membrane technique analysis and MINTEQ model predicted values. Afterwards, influences of dissolved organic matter on kinetics of both dissolution of ZnO nanoparticles and release of free ions are explored by established Donnan membrane technique. Meanwhile, aggregation analysis of ZnO nanoparticles are measured with dynamic light scatter and transmission electron microscope, and surface morphology analysis with scanning electron microscope, and Zn element combining state with X ray photoelectron spectroscopy and synchrotron radiation, and surface groups analysis with infrared spectroscopy and ultraviolet spectrum. Combining all of the analysis above, influencing mechanisms of dissolved organic matter on dissolution of ZnO nanoparticles are discussed. It is hoped that results of this project would provide a new measuring method and scientific references to the prediction of environmental behaviors and the assessment of ecological risks of ZnO nanoparticles.

随着纳米技术的发展，纳米氧化锌的大量生产和应用使其不可避免地进入环境，产生潜在的生态风险。颗粒溶解性作为一种重要的环境行为，很大程度上影响着纳米氧化锌的生态毒性。因此，研究纳米氧化锌的溶解性对于认识其环境行为与生态风险有重要意义。本项目拟搭建道南膜装置，通过与化学平衡软件MINTEQ计算结果比较验证，优化pH、离子、采样时间等测试条件，建立纳米氧化锌颗粒溶解性及自由态锌离子释放测定的道南膜技术方法；利用建立的道南膜技术方法研究可溶性有机质对纳米氧化锌颗粒溶解及自由态锌离子释放动力学的影响；同时，利用动态光散射与透射电镜表征可溶性有机质作用下纳米氧化锌颗粒聚集状态，扫描电镜表征颗粒表面形貌，通过X射线光电子能谱与同步辐射分析表面锌元素结合状态，借助红外和紫外光谱表征表面基团，综合分析探讨可溶性有机质对纳米氧化锌颗粒溶解的影响机制。为纳米氧化锌的环境行为预测及生态风险评估提供新方法和科学依据。

纳米颗粒的溶解性和迁移性，是决定其环境行为和生态效应的重要因素。本项目以纳米氧化锌和纳米二氧化钛为典型工程纳米颗粒，通过综合考察纳米颗粒的表面特性、溶解、团聚和迁移动力学、颗粒之间及颗粒与介质之间的相互作用能，研究了溶解性有机质存在时纳米氧化锌的溶解行为和对纳米二氧化钛在多孔介质中的迁移行为，揭示了溶解性有机质的影响机制。研究结果表明：（1）纳米氧化锌的溶解主要由纳米氧化锌表面吸附的和溶液中游离的溶解性有机质对锌离子的络合作用决定，分子量较大的胡敏酸在纳米氧化锌表面吸附量大，吸附的胡敏酸对锌离子的络合减少了溶解中锌离子的量，抑制了溶解；分子量小的富里酸和柠檬酸在颗粒表面吸附量小，游离的有机质对锌离子的络合增加了溶解中锌离子的量，促进了溶解；（2）富里酸和胡敏酸均可促进纳米二氧化钛的迁移，相同条件下，胡敏酸在纳米二氧化表面的吸附量比富里酸大，对纳米二氧化迁移性的促进作用也更大。离子抑制纳米二氧化的迁移，且CaCl2影响大于NaCl。相同NaCl浓度，胡敏酸作用下纳米二氧化的迁移性更强，并且沉降在第二极小势能区的纳米二氧化钛更易被重新释放。低势垒、第二最小势能、阻塞作用、扩散和重力沉降是纳米二氧化滞留的主要原因；（3）猪粪、污泥和底泥提取的溶解性有机质均可促进纳米二氧化钛的迁移性，然而与胡敏酸相比，这种促进作用是有限的；溶解性有机质芳环度和分子量大小决定其促进作用强弱；提取的溶解性有机质溶液中离子的作用也是不可忽略的。本课题的研究成果可为评价纳米颗粒的环境行为及潜在的生态风险提供科学依据。