天然有机质对多孔介质中纳米颗粒-重金属协同迁移行为的影响研究

Upon the wide presence of nanoparticles and heavy metals in the environment especially in the porous media like soil, their fate and transport behaviors and hence the environmental impacts will greatly depend on how they interact with each other and how they move through the porous media with the impacts of natural organic matter. In this study, magnetite engineered nanoparticles (MENPs), lead ion (Pb) and humic acid (HA) are selected as the model subjects to represent three categories of reactive iron oxide nanoparticles, toxic heavy metal ions and natural organic matter respectively. We will carry out a series of adsorption-desorption batch experiments and MENPs-Pb co-transport experiments in porous media to systematically examine and discuss the effect of HA on these two important processes. Both thermodynamics and kinetics models are going to be applied to describe the interfacial reaction and transport/retention data obtained from the experiments. The parameters are to be well compared and interpreted in order to gain a complete picture of the effects of HA on both MENPs-Pb interaction and MENPs-Pb co-behaviors in artificial soil. Combine the kinetic parameters with the surface status characterization, we may reveal the mechanisms of Pb ions adsorbing onto the MENPs surface and the MENPs immobilizing Pb ions between soil grains. Understanding how the NPs impacts the leachability and bioavailability of heavy metals in subsurface porous media is of fundamental importance to provide accurate assessment of environmental and ecological impacts of NPs and to provide sufficient mechanisms of nanomaterial remediation of soils contaminated by heavy metals.

选取四氧化三铁纳米颗粒、铅离子和天然有机质胡敏酸作为研究目标物，通过实验室模拟操作，进行一系列纳米颗粒-重金属界面吸附过程和多孔介质中纳米颗粒-重金属协同迁移过程考察，探讨天然有机质胡敏酸不同存在条件的影响作用。开展吸附解吸和迁移持留过程的热力学、动力学定量解析，采用多种模型方程对实验数据进行描述和对比解释，系统分析溶解性有机质作用下的四氧化三铁纳米颗粒与铅离子在饱和多孔介质中的吸附、迁移和固定持留行为特征，定量说明纳米颗粒、重金属离子、有机质三因子在土壤介质中的相互作用影响和竞争吸附可能。将热力学动力学过程参数与界面赋存状态表征证据相结合，尝试揭示铅离子在四氧化三铁纳米颗粒表面的吸附机制以及四氧化三铁纳米颗粒-铅离子结合态在多孔介质中的迁移固定机制。合理评价实际土壤环境中纳米颗粒对重金属的可迁移性及生物可利用性的影响作用，为日后工程纳米环境效应评估和重金属纳米技术修复提供重要的科学依据。

进行了MENPs-Cr/Pb界面吸附过程考察，探讨有机质胡敏酸的影响作用。开展吸附解吸和迁移持留过程的热力学、动力学定量解析，分析溶解性有机质作用下的四氧化三铁纳米颗粒与铅铬离子表面吸附行为特征，定量说明纳米颗粒、重金属离子、有机质三因子相互作用影响和竞争吸附可能。实验确定并优化了湿沉降法制备四氧化三铁纳米颗粒及四种不同表面修饰剂的实验方法。联合应用电镜、XRD多种表征手段，获取表面修饰剂修饰前后的四氧化三铁纳米颗粒的物化特性。通过四氧化三铁纳米颗粒与Pb、Cr离子实验室表面吸附批实验，获得一系列的吸附动力学和热力学过程参数，比较不同修饰剂的影响作用。通过XRD、TEM、IR、XPS等多种表征手段，描述了四氧化三铁纳米颗粒表面吸附前后的，Pb离子和Cr离子的赋存状态的变化，以及有机质存在的影响作用。并进行一系列的实验室多孔介质填充柱动态迁移模拟实验，实验获取在不同环境条件下（pH、离子强度和有机质存在），四氧化三铁纳米颗粒的运移和持留数据，并通过DLVO理论方程计算和迁移动力学模型拟合，获得了多孔介质中纳米颗粒的吸附动力学参数，并与静态批实验结果进行了比较。实验对实际环境多孔介质（土壤）中纳米态微粒进行提取，并进行XRD和电镜表征。将获取的土壤纳米颗粒应用于Pb离子和Cr离子的静态吸附和动态迁移实验，对土壤颗粒表面吸附的MENPs-Pb/Cr进行HPLC-AF4-LS-ICPMS分析，考察了实际土壤对MENPs-Pb/Cr的吸附持留过程，进行了MENPs-Pb的环境有效性分析。研究结果表明，Pb、Cr离子在四氧化三铁纳米颗粒表面的吸附过程主要以化学吸附为主。MENPs-Pb/Cr体系中，所发生的Pb和Cr离子表面键合过程主要与MENPs表面修饰剂有关，并且在表面吸附过程中Cr离子的价态有发生变化的可能。天然有机质的存在对于MENPs-Pb/Cr界面过程具有重要的影响作用，其影响作用的正负效应则取决于环境其他条件如pH。有机质的存在，使得动态模拟实验多孔介质中MENPs-Pb/Cr的运移过程更为复杂。较高的有机质含量，使得实际土壤中的纳米态微粒更容易释放；而土壤介质微粒愈小，其所吸附的Pb/Cr离子的单位质量浓度愈高。HPLC-AF4-LS-ICPMS分析结果揭示土壤纳米颗粒中持留Cr /Pb 元素浓度随微粒粒径变化而变化的趋势，与静态吸附实验数据比较，规律结果一致。