碳纳米颗粒产生含氧自由基及降解有机污染物的机制研究

With the increasing production and application of carbon nanomaterials（CNMs）, the potential ecological risks of CNMs have received much attention. CNMs has unique photochemical properties, which can produce the reactive oxygen species (ROS) under UV/vis light, and may decompose the organic contaminants. However, as the mechanisms which CNMs produce the ROS are very complicant, and may be influenced by many factors, the relative study is rarely to see and exact mechanisms are not well understood.Furthermore, because of the relatively high adsorption ability of CNMs, the organic pollutants may easily to be adsorbed on the surface of CNMs, which may enhance the degradation reactions by ROS. Accordingly, ROS recation may be one of the most important degradation reactions of pollutants by CNMs. The theme of the proposed study is the mechanisms controlling the effects of typical CNMs on the production of ROS and degradation of typical organic contaminants in aquatic environments. Specifically, we will focus on the complex system of CNMs, ROS,organic contaminants, and consider the effects of fuctional groups on CNMs, water chemistry, UV/vis light conditions. Try to understand the intrinsic mechanism of types and concentrations of ROS produced by CNMs, and the impact of the degradation reactions of organic contaminants.The outcome of the research may have important implications for both the understanding of environmental effects of CNMs, and the development of CNM-based methodologies for water and wastewater treatments.

随着大量碳纳米材料的生产和使用，其潜在的环境风险受到广泛关注。碳纳米材料具有独特的光敏特性，能够在光照条件下产生含氧自由基，并降解环境中的有机污染物。由于碳纳米材料产生自由基的机制比较复杂，影响因素较多，目前相关研究尚不多见。另外，碳纳米材料独特的吸附性能能够富集环境中的有机污染物并增强自由基对污染物的分解作用，所以自由基反应很可能是碳纳米材料影响污染物环境行为的最主要机制之一。本项目拟以碳纳米材料产生含氧自由基的机理、路径以及降解有机污染物的作用机制为主线，以碳纳米材料-含氧自由基-有机污染物作为整体研究对象，综合考虑表面官能团特性、水化学条件及光照条件的影响，系统研究不同环境条件下，不同类型和表面化学特性的碳纳米材料产生含氧自由基的种类，浓度，以及对有机污染物降解反应的影响，并剖析其内在机理。为理解碳纳米材料的环境效应，发展基于碳纳米材料在水处理方面的相关应用提供理论基础和技术支持。

碳纳米材料是一类新型材料，其具有导电，导热等特性，由于这类材料大量且广泛的使用，已经无可避免的进入到环境中，所以这类材料在环境中的行为，归趋都引起了大家的关注。随着碳纳米材料大量的生产和使用，他们进入环境中的种类和数量的增加，其更有机会与其他污染物接触并产生一定反应，而这种反应引起的环境效应以及污染物是否发生一定转化都鲜有研究，同时，碳纳米材料在环境中还能由于光照，或者和其他物质，例如水中消毒剂等作用产生各种自由基，例如含氧自由基，以及Cl• 或者 ClO• 基团。由于碳纳米材料研究时间尚短，目前对于碳纳米材料在环境中的转化以及产生自由基的机制等研究很少。本课题以此为出发点，研究了碳纳米材料在日光照射下发生的物理化学变化，同时也研究了碳纳米材料在一些水化学条件下的物理化学变化，以及水处理过程中的变化。研究以纳米氧化石墨烯（GO）作为典型碳纳米材料，研究发现，氧化石墨烯在光照存在条件下，表面含氧官能团发生了很大变化， 同时在光照下，GO的碳层发生了一定的破损，说明光照能够减少GO表面的含氧官能团，使其发生还原反应，从而使碳层破损。同时，我们也初步研究了在水处理阶段，碳纳米材料在氯化或者氯胺化处理下GO表面的官能团变化以及自由基形成的机制，发现GO表面含氧官能团在氯化处理下明显增加，发生了一定的氧化反应，氯化能够使GO表面产生Cl• 或者 ClO• 自由基，同时由于氯化，GO表面发生了一定卷曲。这个课题的研究对以GO为主的碳纳米材料在环境中的应用，以及可能发生的行为，毒性作用均有很好的指导意义。