极性有机污染物与碳基纳米材料的特殊作用对不可逆吸附的影响

碳基纳米材料是一类受到广泛关注的新材料，在环保等诸多领域有非常好的应用前景。研究碳基纳米材料对有机污染物的吸附、解吸特性不仅可以为碳基纳米材料在环境相关领域的高效应用（如功能性吸附剂等）提供理论基础，而且能够为评价这些新材料进入环境后对污染物迁移归宿的影响提供科学依据。相对于非极性有机物，极性有机污染物的吸附作用机制更加复杂，但目前针对极性有机物在碳基纳米材料上吸附、解吸的研究非常缺乏。本项目拟针对典型极性有机污染物和纳米碳管、C60富勒烯以及石墨烯开展研究。重点研究影响极性有机物与碳基纳米材料间吸附作用的主要机理，以及吸附在碳基纳米材料上的极性污染物的解吸和不可逆吸附特征，并建立能够定量描述极性污染物解吸的数学模型。本项目旨在揭示极性有机污染物与碳基纳米材料之间的特殊吸附作用机制对于极性有机物不可逆吸附的影响，并进一步揭示有机污染物的不可逆吸附机理。

研究碳基纳米材料对有机污染物的吸附、解吸特征可以为开发功能性吸附材料提供理论基础，也可以为评价这些新材料对于环境中有机污染物迁移归宿的影响提供科学依据。本课题以碳纳米管、C60富勒烯等碳基纳米材料为研究对象，研究了吸附在碳基纳米材料上的有机污染物的解吸和不可逆吸附特征；探讨了有机污染物与碳基纳米材料之间的特殊作用对于有机污染物解吸特征的影响机制，进一步揭示了碳基纳米材料对有机污染物的吸附机理；在此基础上研究了碳基纳米材料对有机污染物的不可逆吸附导致碳纳米颗粒成为污染物载体、加速污染物在地下含水层多孔介质中运移能力的内在机制。本研究的主要发现包括：1）除疏水作用外，π电子耦合作用、π-π电子供受体作用、含氮杂环上的孤对电子和氨基取代基所引发的n-π电子供受体作用、以及路易斯酸碱对等特殊作用是影响含氮、含硫有机污染物与碳纳米管间吸附亲和力的重要机制。此外，溶液中共存铜离子可以通过桥键作用促进碳纳米管对极性有机污染物的吸附。2）有机污染物在碳基纳米材料上的解吸行为与碳基纳米材料的形貌结构和表面化学性质密切相关。例如，多氯联苯在C60纳米颗粒（nC60）上表现出非常明显的不可逆吸附，极性有机污染物在表面含氧量高的碳纳米管上表现出较为明显的不可逆吸附现象，而在表面含氧量较低的碳纳米管上其解吸不可逆现象不显著。与此同时，有机污染物吸附到碳基纳米材料后对其团聚状态的改变也是导致不可逆吸附的另一重要因素。3）研究发现，nC60在地下含水层介质中具有较强的运移能力，而同时nC60对持久性有机污染物的吸附是不可逆的，导致了持久性有机污染物在地下含水层介质中迁移能力增强，显著改变了有机污染物在环境中的迁移和归宿行为。本课题的研究成果对于开发碳基纳米材料在环境相关领域的高效应用，以及评价碳基纳米材料进入环境后的行为及其潜在的环境和生态风险具有较为重要的意义。