表面修饰碳纳米管对全氟化合物的吸附机制研究

The ubiquitous occurrence of perfluorinated chemicals (PFCs) as surfactants in the environment is derived from their slather in industry. PFCs have attracted the great concerns in terms of their high inertia, persistence, bioaccumulation and etc. The modification of carbon nanotubes (CNTs) will alter the surface properties, consequently increase the sorption characteristics of organic contaminants to CNTs. In this proposal, surface-modified CNTs are prepared by various approaches; and their morphology, micro-structure and surface property of surface-modified CNTs will be characterized by spectroscopy techniques, such as XRD, SEM-EDS, ICP-MS and etc. The in situ techniques e.g. XPS, XRF, and FTIR, and the analytic approach of PFCs concentration are adopted. The objective are 1) to investigate the adsorption difference of PFCs on surface-modified CNTs; 2) to clarify the relationship between the surface property of surface-modified CNTs and the sorption of PFCs; 3) to probe associated properties of PFCs on CNTs, and the effect of environmental factors on the sorption of PFCs. The adsorption mechanism of PFCs to surface-modified CNTs is elucidated in comparison with pristine CNTs. The resultant findings not only enrich the fundamental theory of the sorption between surface-modified CNTs and PFCs but also have the great instructive significance in the purification of containing trace PFCs water and the applied extension of carbon nanomaterials.

全氟化合物（PFCs）作为表面活性剂在工业中大量使用而导致其在环境中广泛分布，但因高惰性、永久性和生物富集作用等特性而引起广泛关注。对碳纳米管（CNTs）进行表面修饰可以改变CNTs表面性质，进而增强CNTs对有机污染物的吸附特性。本项目利用不同方法对碳纳米管进行表面修饰，采用X射线衍射、透射电子显微镜、电感耦合等离子体发射光谱等谱学技术，研究表面修饰CNTs的形态、微结构和表面特征，并利用X射线光电子能谱和傅立叶变换红外光谱等原位技术，液相色谱/质谱等PFCs检测技术，调查PFCs在表面修饰CNTs上的吸附差异，明确表面修饰CNTs表面性质与PFCs吸附的相关关系，探明PFCs与CNTs的结合能以及环境因素对吸附效应的影响，阐明表面修饰CNTs对PFCs的吸附机理。研究结果不仅能丰富PFCs与碳纳米材料结合的化学知识体系，而且对含PFCs水体的净化和碳纳米材料的应用拓展具有重要指导意义。

全氟化合物（PFCs）作为表面活性剂，在工业中大量使用了20余年，导致其在环境中广泛分布，但因高惰性、永久性和生物富集作用等特性而引起广泛关注。全氟辛酸是环境中全氟化合物的重要种类之一，如何有效地去除环境介质中全氟辛酸是大家关注的科学问题。本研究对碳纳米管进行表面修饰可以改变其表面性质，利用批处理技术研究全氟辛酸在表面修饰碳纳米管的吸附动力学和等温吸附特性，同时考虑了环境因素的影响。本项目利用不同方法对碳纳米管进行表面修饰，采用X射线衍射、透射电子显微镜、电感耦合等离子体发射光谱等谱学技术对改性的碳纳米管表面特性进行了表征。结果表明，较普通的碳纳米管，金属掺杂碳纳米管的比表面积、孔隙体积和孔径均出现下降，灰分和官能团含量明显增加。强酸、强碱或强氧化剂的作用提高碳纳米管的比表面积，改变了碳纳米管表面的官能团种类和数量。准二级动力学模型能较好地拟合全氟辛酸在表面修饰碳纳米管上吸附，并且获得平衡吸附时间为12-24小时。Langmuir模型和Freundlich模型均很好的拟合全氟辛酸在表面修饰碳纳米管上的等温吸附。X射线光电子能谱的结果表明，全氟辛酸的确吸附于碳纳米管表面。全氟辛酸主要通过静电作用力和疏水性作用附于表面修饰碳纳米管，此外孔隙填充和负离子辅助氢键作用也起到一定的贡献；明确了碳纳米管表面性质与对全氟辛酸吸附的相关关系。强酸、强碱处理降低了碳纳米管对全氟辛酸吸附量，而单质铜及其氧化物显著的提高了碳纳米管对全氟辛酸吸附能力，但是不是可逆的吸附。碳纳米管对全氟辛酸吸附能力随着离子强度和溶液pH的升高而升高。通过分析各种指标的相关性，验证了相互的影响与作用，初步建立了表面修饰碳纳米管对全氟辛酸的吸附机理。该研究结果不仅能丰富PFCs与碳纳米材料结合的化学知识体系，而且对含PFCs水体的净化和碳纳米材料的应用拓展具有重要指导意义。