天然水体中纳米银聚集、沉降和溶出行为研究

Silver nanoparticles (AgNPs) are new type of the most widely used pollutants with greater environmental risk. A series of complicated physical and chemical processes occured to AgNPs released into the water environment such as aggregation, deposition and dissolution, causing adverse effects on the ecosystem and human health. Currently, the understanding of mobility and transformation behaviors of AgNPs in natural water is very limited, and the mechanisms and key factors of aggregation, deposition and dissolution remain unclear. To clarify the main effect mechanism and identify the key factors of AgNPs environmental behaviors, AgNPs with different sizes and different surface coatings would beprepared, and standard samples of humic acid and fulvic acid component in sewage and lake water would also independently extracted and purified in this project. The influences of main physical and chemical parameters (natural organic matter, anion, cation and pH) of natural surface water on aggregation and dissolution of AgNPs were systematically studied for comparative research on the interaction between AgNPs with different sizes, surface coatings, and natural organic matters with different components and different molecular weights. DLVO model was used for estimating the influence degree of common anion and cation on AgNPs aggregation and deposition. Research results will help scientifically understand the environmental behaviors and toxicity of AgNPs, providing references for risk assessment, pollution control and environmental monitoring.

纳米银（AgNPs）是目前使用最为广泛和环境风险较大的一类新型污染物。释放到水环境中的AgNPs将发生聚集、沉降、溶出等一系列复杂的物理化学过程，对生态系统和人体健康造成不利影响。目前人们对天然水体中AgNPs迁移转化等环境地球化学行为的认识还非常有限，聚集、沉降和溶出的机理和关键因子尚不清楚。本项目制备不同粒径和不同表面包覆的AgNPs，自主提取和纯化污水和湖水中的腐殖酸和富里酸亚组分标准样品，系统研究水体主要理化参数（天然有机质、阴阳离子和pH）对AgNPs聚集、沉降和溶出行为影响，对比研究不同粒径与表面包覆的AgNPs与不同组分和不同分子量的天然有机质相互作用，利用DLVO模型估算水体中常见阴阳离子对AgNPs聚集和沉降的影响程度，阐明主要作用机理，辨识关键影响因子。研究成果将有助于我们科学认识AgNPs的环境行为和毒性，为其风险评估、污染控制和环境监管提供参考。

纳米材料的大量使用使其不可避免的排入环境水体中，对生态系统造成潜在危害。对其在水环境中的悬浮和聚沉行为的研究是科学评价其环境安全性的关键步骤。本项目的研究内容可以分为两个方面：.（一）水体中天然有机质和无机离子对不同粒径纳米银悬浮聚沉行为的影响，通过自主制备的方法获得不同粒径的AgNPs，定性描述水环境要素对AgNPs悬浮和聚沉行为的影响，分析水体中常见的pH、无机离子和不同有机质组分与AgNPs相互作用的机制。结果表明：1）静电作用和空间位阻作用是影响AgNPs的聚沉行为的主要作用力。水体pH值对AgNPs稳定性的影响较小，随着粒径的增大，越能在更广泛的pH范围保持长期稳定。无机离子诱导的聚集行为表现为阳离子主导，阴离子的水合能辅助影响的作用机制；2）不同来源NOM与不同无机离子之间的相互作用是影响AgNPs胶体稳定性的重要因素。不同来源NOM作用效果主要取决于其对纳米材料表面的亲和力，含S和富N的基团、含有较多芳香碳以及高分子量的NOM能较强的增强AgNPs在水环境中的悬浮稳定性。.（二）溶解有机质作用下典型纳米材料聚沉行为及对锑吸附性能的影响。以三种典型颗粒和管状纳米材料为研究对象，选取四种不同来源的DOM作为主要影响因素，分别考察在不同水体理化参数条件下，DOM对典型纳米材料聚沉行为的影响，并选取重金属污染物锑作为纳米材料环境应用的案例。结果发现：1）溶液pH、富里酸（FA）的吸附量是影响磁性纳米颗粒（Fe3O4 NPs）聚沉的重要因素；2）纳米材料的形貌、溶液pH、腐殖酸（HA）的来源和浓度共同影响着二氧化钛纳米材料（TiO2 NMs）的吸附和聚沉行为；3）相比于腐殖类物质，小球藻释放DOM显著促进TiO2 NPs和TiO2 NTs在水体中的悬浮；4）通过研究TiO2 NPs与自主制备的TiO2 NTs对Sb的吸附行为，发现TiO2 NTs对Sb的吸附量远大于TiO2 NPs及已有研究的大部分纳米材料。