不同电性纳米金在粘土矿物表面吸附的实验研究

The regularity and mechanism of adsorption of mineral nanoparticles as adsorbates on the surface of other minerals (ie, heteroaggregation) may play a key role in solving important basic and applied problems in many fields such as resources, environment, and geochemistry. In view of the complexity of the multi-scale, multi-interface, multi-component, and multi-variation conditions inherent in the related research system, there are few targeted systematic experimental studies. The existing theoretical models can only interpret the experiment phenomena and patterns qualitatively or semi-quantitatively. In many cases, there is still a huge discrepancy between theoretical predictions and experimental observations. We propose to experimentally investigate the adsorption of three differently charged gold nanoparticles on the surfaces of three common clay minerals, systematically examine the effects of several possibly intertwining experimental variables (including nanometer size, electrical properties, ligand type, medium pH, ionic strength, organic matter concentration, temperature, clay mineral type and charge distribution) on the adsorption behavior, and will finally unveil a heteroaggregation model based on a multi-scale, cross-interface microscopic mechanism of interactions. It is expected that the findings will improve the understanding of the basic scientific issues of nanomineral heteroaggregation, provide a better restrain on the migration, fate, physicochemical properties, and exposure pathways of gold nanoparticles in water. Therefore, our project has significant implications in resources, environment, and ecological sciences, and will provide the basis for expanding the application of nanominerals.

纳米矿物颗粒作为吸附质在其他矿物表面吸附（即异质团聚）的规律和机理对于解决资源、环境、地球化学等很多领域重要的基础和应用问题可能发挥关键作用。鉴于相关研究体系固有的多尺度、多界面、多组分以及多变化条件等复杂性，目前有针对性的系统实验研究工作很少，现有理论模型也仅能定性或半定量地解释实验现象和规律，许多情况下理论预测与实验观测结果还存在巨大差异。我们提出开展三种不同电荷的纳米金在三种常见粘土矿物表面吸附的实验研究，系统考察纳米尺寸、电性、配体类型、介质pH、离子强度、有机质浓度、温度、粘土矿物类型及其电荷分布等可能相互关联的实验因素对吸附行为的影响，进而揭示基于多尺度、跨界面微观作用机制的异质团聚模型。预期研究结果将改善纳米矿物异质团聚这个基础科学问题的认识，更好地制约纳米金在水体中的迁移、归趋、理化性质和暴露途径，因而本项目具有显著的资源、环境和生态效应并为拓展纳米矿物相关应用提供了依据。

纳米颗粒在自然界广泛存在，纳米颗粒在矿物表面的吸附（或异团聚）可能对元素迁移与归趋、成矿作用、矿产勘查、生态环境、催化剂生产等具有显著影响。本项目采用批式和柱吸附实验，系统研究了纳米金在三种典型黏土矿物上的吸附行为，探讨黏土矿物类型、介质pH、离子强度、有机质浓度、温度等关键因素对异团聚过程的影响。主要获得研究结果包括：1）在伊利石吸附纳米金体系中，吸附实验、扫描电镜观察以及伊利石表面电性研究的结果一致性表明，纳米金主要通过静电作用吸附在伊利石表面。在负电纳米金体系中，减小体系pH、增大离子强度、增大柠檬酸钠浓度、升高温度或者减小伊利石粒径都会促进纳米金的吸附，且主要吸附于伊利石端面；与此不同的是，伊利石吸附正电纳米金的实验显示，体系pH增大可同时促进纳米金在伊利石层面和端面上的吸附。2）在蒙脱石吸附纳米金实验中，纳米金的吸附或团聚量随初始pH增大发生不规则变化，这可能是蒙脱石溶解导致体系离子强度增大以及层间阳离子交换出的Ca2+促进纳米金之间桥联，最终致使纳米金发生自团聚。3）作为1:1型黏土矿物的代表，高岭石对纳米金的吸附行为不同于2:1型黏土矿物伊利石。初始pH相同时，高岭石对纳米金的吸附量大于伊利石；相同的脱附条件下，伊利石体系脱出的纳米金大于高岭石体系。4）柱吸附实验结果表明，伊利石对负电纳米金的吸附作用显著抑制纳米金在柱中的迁移，同时纳米金自团聚也可能发挥着重要作用。本项目相关工作目前已发表 SCI 刊物论文8篇，EI刊物论文 3篇，会议论文 1 篇，授权专利5件。此外，项目组成员还多次在国内外学术会议通过口头报告和墙报报告展示研究成果。以上研究结果有助于提高对纳米颗粒异团聚过程规律和微观机制的认识，为解决矿床、生态环境、勘查地球化学等多个领域相关的重要科学问题提供了实验依据，也为拓宽纳米颗粒在催化剂、光反应、生物医疗材料等领域的应用提供了有价值的参考。