水环境中铁胶体颗粒对典型工业纳米颗粒的稳定性研究

Engineered nanoparticles (ENPs) have been widely applied in many industrial fields. They may inevitably be released into aquatic environments during their production and usage, resulting in improvised risk to aquatic ecosystem and even human health. Since there is a strong relationship between the toxicity of ENPs and their aggregation state, ENP homoaggregation studies have been carried to approximately represent their aggregation behavior. However, when ENPs released in aquatic system, it is very likely that ENPs may interact with natural iron colloids which widely exist in natural water. Therefore, in this study nanoscaled TiO2, carbon nanotubes and citrate-coated gold nanoparticles will be employed as representatives of typical ENPs. Fe(OH)3 will prepared as natural iron colloids in natural waters. In order to fully investigate ENP aggregation behavior, the heteroaggregation and sedimentation study will be carried out between the proxy of ENPs and natural iron colloids under different hydrochemistry conditions and NOM concentrations. The results will be analyzed using interpolation method. The stability, transportation and fate will be discussed.

随着纳米技术的产业化，工业纳米颗粒在生产和使用过程中会不可避免地泄漏到水环境中，对水生态环境与人体健康带来不可预见的风险。由于工业纳米颗粒的粒度与其环境毒性以及水中其他污染物的迁移转化着直接关系，因此工业纳米颗粒在水环境中胶体稳定性为已成为研究热点。但现有研究多采用同相团聚实验来表征纳米颗粒的团聚特征。事实上，泄漏的工业纳米颗粒很可能与水环境中大量存在的铁胶体颗粒碰撞团聚。为了揭示在水环境中典型工业纳米颗粒的胶体稳定性，本项目拟从材料、形状与官能团三个角度选取纳米级TiO2、碳纳米管（CNTs）、柠檬酸盐包覆的纳米金颗粒（CIT-GNPs）作为典型工业纳米颗粒的代表，选取Fe(OH)3作为天然铁胶体颗粒的代表，通过团聚动力学与沉降动力学实验，结合数据差分分析的方法，探讨在自然水环境中典型工业纳米颗粒的胶体稳定性与归趋。

伴随着纳米技术的快速发展，纳米颗粒以其特殊的物理化学性质在生产及生活的各个领域中被广泛使用。纳米颗粒具有较高的表面活性，会与环境中的物质发生相互作用造成表面结构的改变，从而对环境产生诸多影响。因此，纳米颗粒带来的健康风险及可能造成的环境危害，逐渐受到人们的关注。实验选取碳纳米管(CNTs)、纳米级TiO2作与纳米金颗粒为典型工业纳米颗粒的代表，选取Fe(OH)3作为天然铁胶体颗粒的代表。首先制备稳定的CNTs、纳米级TiO2、Fe(OH)3 胶体悬浊液；之后在适宜的浓度下，改变pH、电解质类型、离子强度等外界因素，开展不同水化学条件下典型工业纳米颗粒与天然胶体颗粒之间的团聚实验，探讨在天然水环境中典型工业纳米颗粒的胶体稳定性与归趋。（1）当离子强度增大时，碳纳米管及纳米二氧化钛颗粒的团聚行为加剧；但当电解质的浓度增大到一定程度时，团聚行为变化不再明显；.（2）离子价态不同对碳纳米管及纳米二氧化钛团聚行为的影响不同：高价态反离子（Ca2+）比低价态反离子（Na+）对颗粒的稳定性影响更明显；.（3）改变溶液的pH，碳纳米管及纳米二氧化钛的稳定性会发生变化，与颗粒的表面电荷及零电荷点（PZC）有关；.（4）天然有机质的浓度增大时，碳纳米管及纳米二氧化钛的分散性增强；.（5）碳纳米管与纳米二氧化钛的稳定性与天然胶体的浓度相关：随着氢氧化铁胶体加入量的增大，颗粒的团聚速率加快。.（6）以柠檬酸盐-纳米金颗粒（CIT-GNPs）为工业纳米颗粒的代表，研究了离子强度，天然有机质，以Fe(OH)3为代表的天然胶体颗粒对工业纳米颗粒的团聚效果的影响。研究表明，当水环境中含有Fe(OH)3胶体时，其通过静电吸附使电性相反的纳米金颗粒发生团聚与沉淀。同时环境中的Ca2+也会对纳米金颗粒的稳定性产生较大影响，而Na+影响则相对较小。如果环境中含有大量的带有与纳米金颗粒表面电性相反的Fe(OH)3胶体时，天然有机质其对纳米金颗粒在水环境中的行为影响较为小。