基于中空纤维流场流分离-微型原子发射光谱有机碳测定在线联用系统的典型碳材料环境行为研究

Carbon-based materials have drawn remarkable attention in scientific community due to their potential risks during natural and anthropogenic processes (e.g., production, use, and disposal). Physicochemical properties, environmental behaviors and toxicity of carbon-based materials are strongly dependent on the particle size. However, reports on environmental effects and toxicity were mostly conducted in simple matrix samples using certain sized carbon materials due to the lack of effective separation and determination methods, so it remains challenging to reflect their behaviors in real environment. In this proposal, we plan to (i) develop an on-line system coupling hollow fiber flow field-flow fractionation with dielectric barrier discharge microscale atomic emission spectrometry to effectively achieve analyzing different sized typical carbon-materials (from nm to μm); (ii) study the impact of natural organic matter with different molecular weight, pH, ions, ionic strength, temperature, irradiation, and coexisting particles on physical transformation (e.g., aggregation) and chemical transformation (photodegradation) of different sized typical carbon-based materials; (iii) evaluate long term stability of typical carbon-based materials in natural waters, which are helpful to evaluate environmental and health risks related to carbon-based materials in environmental media.

碳材料天然形成和人为生产、使用和处置等过程引发的环境安全性问题正引起学术界的广泛关注。碳材料的物理化学性质、环境行为和毒性效应与其尺寸密切相关。由于缺乏有效的分离和检测手段，其环境和毒性效应研究主要是在简单基体模拟样品中针对某一种尺寸的碳材料开展的，难以反映真实环境中碳材料的环境行为。本项目拟利用中空纤维流场流分离技术分离范围广、分离度高、在线净化基质等优势，结合特异性好、灵敏度高、运行成本低的基于介质阻挡放电微等离子体原子发射光谱的有机碳检测器，建立不同尺寸典型碳材料（从纳米到微米）的在线分离和测定方法；系统研究不同分子量天然有机质、pH、共存离子、离子强度、温度、光照、共存颗粒物等多种环境因素对不同尺寸碳材料物理变化（如团聚）和化学转化（如光降解）的影响；深入研究实际水体中不同尺寸典型碳材料的长期稳定性，揭示其在实际环境中的环境行为，为科学评价碳材料的环境安全性和生物效应提供重要依据。

随着碳材料的大量生产和广泛使用，碳材料的环境健康风险引发关注。本项目围绕以氧化石墨烯（GO）为代表的碳材料的识别和定量、水环境中GO的分离分析、天然有机质对GO稳定性的影响、典型碳材料在重金属离子去除中的应用等若干关键科学问题，开展了较为系统的研究，主要取得了以下代表性成果：.（1）研发了基于尖端放电-微等离子体原子发射光谱的GO的识别及定量系统。将紫外光光降解与尖端放电-微等离子体原子发射光谱联用，建立了水体中痕量GO的定量分析方法。为了进一步提高本系统的灵敏度和抗干扰能力，利用GO在高盐高碱性溶液中的团聚现象建立了可快速分离富集GO的新方法。.（2）建立了基于中空纤维流场流分离技术的GO分离分析的新方法。将中空纤维流场流分离系统与紫外可见吸收光谱联用，建立了水溶液中GO分离分析的新方法，并成功用于天然有机质（NOM）与GO的分离。.（3）研究了不同分子量NOM对GO稳定性的影响。基于上述发展的新方法，深入研究了不同分子量NOM组分对GO稳定性的影响，揭示了环境冠结构的稳定机制，且发现不同分子量NOM组分对GO稳定作用与其官能团种类有关。.（4）开发了利用生物炭高效去除Cr(VI)的新方法。在“生物炭-Fe(III)-Cr(VI)”三元体系中，发现Fe(III)可有效加强生物炭对Cr(VI)的去除，明确了Fe(III)在生物炭和Cr(VI)之间起电子传递体的作用。.上述研究成果已撰写标注本项目资助的SCI论文5篇（4篇已发表，1篇在审稿中），申请国家发明专利3件（其中授权2件），在国内和国际学术会议作了10余次学术报告。项目培养博士研究生2人。项目成果为科学评估碳材料的环境安全性和应用前景提供了关键技术和基础数据。