水环境中碳纳米管的分散状态对其吸附典型PPCPs的影响机制研究

With the increasing production and widely use of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs), their release and environmental impact have gained much attention. Even in very low concentration (ng/L–μg/L), PPCPs may show ecotoxicity resulting in potential impact for the environment. However, most of the PPCPs could not be removed by traditional waste water treatment technologies. Due to unique properties and huge surface area, CNTs exhibit very strong affinity towards PPCPs in aquatic systems and may be applied as efficient sorbents. The interactions between CNTs and contaminants could be affected by the aggregation/dispersion state of CNTs in aquatic systems. Currently, just few studies have been conducted using different aggregation/dispersion state of CNTs, and most of these studies only refer to hydrophobic compounds. Four types of PPCPs will be selected in this study as adsorbates to investigate their sorption by CNTs. The influence of dispersion state of CNTs on their sorption to PPCPs will be studied. Sorption of PPCPs by colloidal CNTs will be investigated. The results will improve the understanding in the sorption mechanisms between PPCPs and CNTs. The data generated will be vital for evaluating the potential applications of CNTs as efficient sorbents in waste water treatment process.

随着药物及个人护理品（PPCPs）生产和使用量的逐年增加，其环境释放和随之而来的环境效应受到了广泛关注。很多PPCPs在极低浓度时（ng/L–μg/L）就会产生显著的生态毒性，对环境产生潜在影响，而大多数PPCPs通过传统的水处理技术都无法被有效去除。碳纳米管（CNTs）具有独特的性质和巨大的比表面积，对PPCPs有良好的吸附去除效果，有望作为污水深度处理的新型吸附剂。CNTs与污染物的作用机制在很大程度上取决于CNTs在水中的团聚/分散状态，但目前相关研究非常匮乏，且涉及的污染物多局限在多环芳烃等疏水性有机污染物。本项目拟选取四种典型PPCPs为研究对象，重点揭示CNTs的分散状态对其吸附PPCPs的影响，阐明PPCPs与胶体态CNTs的吸附效果和机理。研究结果有利于进一步完善CNTs对PPCPs的吸附机理，为应用CNTs作为高效污水处理吸附剂提供理论支持。

随着药物及个人护理品（PPCPs）生产和使用量逐年增加，其环境释放和随之而来的环境效应受到了广泛关注。碳纳米管（CNTs）具有独特的性质和巨大的比表面积，对PPCPs有吸附效果，有望作为污水深度处理的新型吸附剂。本研究选用了典型PPCPs作为目标污染物，研究了CNTs的团聚及分散行为对于其吸附行为的影响。研究采取吸附批实验，避免了传统固液分离方法（离心/过滤），在应用被动采样方法POM-SPE的基础上成功研发了fiber-SPE方法于研究中，（1）研究了超声条件、水化学条件、CNTs表面官能团对于CNTs吸附PPCP的共同影响。在中性条件下，CNTs无论是否带有取代基，超声处理都大大加速了其对于三氯生的吸附。不管CNTs是否被超声处理，吸附都按此顺序递减：无取代基的CNTs>羟基取代的CNTs>羧基取代的CNTs。由于三氯生与CNTs之间的静电斥力，无论CNTs有无取代基，吸附都随着pH的升高而降低。溶液pH对于无取代基的CNTs影响更大，而超声对于有取代基的CNTs影响更大。（2）研究了不同种类腐殖酸、表面活性剂作为分散剂对CNTs吸附三氯生的影响。随着腐殖酸和富里酸浓度的增加，CNTs对三氯生的吸附量先降低后升高，这可能是竞争吸附与分散作用共同作用的结果。在三氯生的初始浓度较低或较高时，200mg/L腐殖酸抑制或促进吸附。而富里酸无论浓度高低均抑制吸附，这可能与HA和FA的特性有关。阴离子表面活性剂显著抑制吸附，阳离子表面活性剂促进了吸附；非离子表面活性剂浓度低时，抑制吸附，浓度高时促进吸附。电荷、表面活性剂浓度、分散状态分别是阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂影响吸附的重要因素。（3）将CNTs的吸附行为与其他种碳基材料进行对比，阐明了吸附机制。七种碳基吸附剂对三氯生和磺胺甲恶唑的吸附量均按以下顺序递减：活性炭>椰壳炭>普通CNTs> CNTs-OH> CNTs-COOH >稻壳炭>竹炭。研究结果有利于进一步完善不同种类的碳基材料与PPCPs的吸附行为，同时进一步解释不同分散状态的CNTs对三氯生的吸附机理，为应用不同的碳基材料作为高效污水处理吸附剂提供理论支持。