纳米材料对全氟化合物的吸附和解吸机理研究

全氟化合物(PFCs)是当前研究最热的持久性有毒污染物，广泛存在于污水和自然水体中。纳米材料也是近年研究的热点，随其大量使用而进入水环境，污染物吸附不仅改变其环境行为，也增强纳米颗粒毒性。世界范围内还没有开展PFCs在纳米材料上的吸附研究。本项目拟系统研究典型PFCs在多种纳米材料上的吸附解吸规律，主要内容包括9种PFCs在碳基纳米材料（多种碳纳米管、石墨烯和富勒烯）上的吸附特性；4种全氟羧酸在无机纳米材料（二氧化钛和银等）上的吸附解吸规律；水中有机物存在时的竞争吸附；以及用对比吸附和光谱分析手段从分子水平深入研究PFCs在纳米材料上的吸附和解吸机制，揭示各作用力（疏水、静电、氢键和π-π等作用）对吸附的贡献，判断主要作用力，特别是C-F链在材料表面是否发生疏水和氢键作用，提出复合吸附模式。本研究能揭示水环境中PFCs在纳米颗粒微观界面的吸附解吸过程和主导机制，为其迁移和归趋提供理论支持。

全氟化合物（PFCs）是当前研究最热的持久性有毒污染物，广泛存在于污水和自然水体中。纳米材料也是近年研究的热点，随着其大量使用进入环境，污染物在其表面的吸附不仅改变其环境行为，也会增强纳米颗粒毒性。本研究针对典型的PFCs，开展了一系列纳米材料对PFCs的吸附实验，探究了有机及无机纳米材料对PFCs的吸附机理，并以PFCs疏水疏油特性为出发点，提出并验证了其在碳材料表面基于纳米气泡的吸附机理。本研究分析了碳纳米管（MWCNTs）及无机纳米氧化物比表面积、表面电荷等性能参数；开展了多种MWCNTs和无机纳米氧化物吸附多种PFCs的实验研究并分析了其吸附机理；进行了多种污染物共存时的竞争吸附试验并分析了其影响机理，提出了复合吸附模式；开展了不同PFCs的疏水疏油特性实验；开展了PFOS在碳材料上基于气泡吸附的机理研究。研究发现MWCNTs对PFCs的吸附受MWCNTs表面特性、PFCs链长及极性官能团种类、溶液pH值、共存污染物等因素影响，其可能的吸附作用包括静电作用、疏水作用等；无机纳米材料对PFOS的吸附速率快，24小时后就可以达到平衡，其对PFOS的吸附受其表面电荷、溶液pH值及共存离子影响，在二价阳离子存在时可通过架桥作用促进吸附，其主要的吸附作用力包括静电作用、氢键作用、架桥作用等；PFCs在典型有机溶剂中的溶解度随溶剂极性的降低而降低，与传统的HOCs的规律相反，其碳氟链同时具有疏水疏油性；通过脱气吸附实验发现气泡对PFOS在疏水碳材料表面的吸附起到了重要作用，经0.01 atm真空脱气36 h后CNTs对PFOS的去除率最大可降低79 %。PFOS的碳氟链既疏油又疏油，无法通过疏水作用吸附在碳基材料表面；PFOS倾向于在气液界面分布，全氟链伸入气泡中，离子端附在气泡表面，从而吸附在材料表面。本研究对揭示水环境中PFCs在纳米颗粒微观截面的吸附解吸过程和主导机制具有重要的指导意义，能为其迁移和归趋提供理论支持。