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土壤中无机纳米颗粒提取、表征及其重金属吸附研究

作　者: 朱蕊
导　师: 卢升高
学　校: 浙江大学
专　业: 水资源利用与保护
关键词: 纳米颗粒(Nanoparticles, NPs) 高分辨-透射电镜法(HR-TEM) 氧化铁成土过程吸附
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

基于环境纳米科学的迅速发展和研究,本文通过对土壤中纳米颗粒的特性分析,建立起土壤无机纳米颗粒提取表征的方法体系,研究土壤纳米颗粒的形成过程和环境行为,旨在为开发纳米材料修复环境污染应用提供理论依据,也为推动纳米土壤科学的建立和发展。建立了筛分-沉淀-离心-超声结合手段提取土壤无机纳米颗粒的方法。利用建立的方法提取红壤、黑土和黑垆土中的纳米颗粒,粒度分析(PSD)结果表明三种样品粒度分布都呈正态分布趋势,提取的颗粒粒径基本都小于100 nm。研究采用高分辨透射电镜(HR-TEM)和x射线能谱仪(EDS)为核心技术,结合激光纳米粒度仪、XRD和磁化率仪等手段,表征了土壤中无机纳米颗粒的大小、形貌、矿物相和结晶状况以及元素组成等关键信息。XRD表征了样品的矿物相及晶格信息。不同气候条件使得三种土壤风化程度存在差异,导致了三种土壤在特征矿物上的区别,铁、铝氧化物晶体明显的特征衍射峰值得关注。电镜表征结果揭示了土壤中纳米颗粒在形貌上的多样性和异质性。形态包括球形、条状、棒状、絮状及不规则状等,粒径在～10-100 nm之间不等。土壤无机纳米颗粒由于巨大的比表面积和高表面能,展示了易与其他颗粒聚集的倾向,多形成核(单晶,多晶核)-壳(无定形态或氧化物包覆表面)结构。Fe元素主要以铁氧化物及Fe-多元素复合结构存在,后一种结构占据主要地位。利用结晶区域的高分辨图像计算晶格间距,主要有0.266～0.277 nm及0.333～0.334nm两个结果,可以判断分别为赤铁矿或磁赤铁矿,以及硅氧化物。土壤无机纳米颗粒对重金属Cd的吸附可利用Freundlich和Henry等温方程描述。吸附能力强弱顺序为黑垆土>红壤>黑土,其中黑土显著低于另外两种土壤。成土条件的不同,造成了三种纳米颗粒中游离氧化铁的含量及氧化铁结晶形态的区别,可能是影响吸附能力的主要因素。此外,三种土壤无机纳米颗粒所带的可变电荷量及电性不同,也会对吸附反应产生影响。比较吸附率,由高到低是红壤之黑垆土>黑土>人工合成氧化铁；吸附率均大于96%,可认为在该实验条件下,纳米颗粒能基本去除重金属污染。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目次  10-12
1 绪论  12-25
  1.1 环境纳米颗粒概述  12-17
    1.1.1 环境纳米颗粒及其特性  12-14
    1.1.2 土壤环境中的纳米颗粒及其环境行为  14-17
  1.2 环境纳米颗粒提取、表征理论及技术手段  17-20
    1.2.1 纳米颗粒分散提取原理  17-18
    1.2.2 纳米颗粒表征的主要技术手段  18-20
  1.3 环境纳米应用及其生态风险  20-24
    1.3.1 纳米颗粒(材料)的环境保护及污染防治应用  20-22
    1.3.2 纳米颗粒(材料)应用的环境安全性  22-24
  1.4 研究目标与内容  24-25
    1.4.1 研究目标  24
    1.4.2 研究内容  24-25
2 研究材料与方法  25-30
  2.1 研究对象  25-26
  2.2 试剂与设备  26-27
    2.2.1 主要实验试剂  26
    2.2.2 实验设备和仪器  26-27
  2.3 技术路线  27-30
    2.3.1 纳米颗粒分散提取方法  27-28
    2.3.2 土壤无机纳米颗粒对重金属的吸附作用  28-30
3 土壤无机纳米颗粒的表征  30-48
  3.1 无机纳米颗粒粒度分布(Particle-size distribution,PSD)  31-33
  3.2 无机纳米颗粒矿物相及磁性表征  33-36
    3.2.1 矿物相及晶格信息、分析—XRD  33-35
    3.2.2 环境磁学表征—双频磁化率仪  35-36
  3.3 无机纳米颗粒电镜表征  36-46
    3.3.1 形貌和化学组成辅助分析—FSEM(场发射扫描电镜)  36-38
    3.3.2 透射电镜表征  38-43
    3.3.3 表征结果综合分析  43-46
  3.4 本章小结  46-48
4 土壤无机纳米颗粒对重金属的吸附作用  48-55
  4.1 无机纳米颗粒重金属吸附机理探讨  48-49
    4.1.1 与粒径相关的无机纳米颗粒的吸附性能  48-49
    4.1.2 与聚集相关的纳米颗粒的吸附性能  49
  4.2 实验结果与讨论  49-55
    4.2.1 人工合成模式矿物表征  49-51
    4.2.2 吸附实验分析  51-55
5 结论与建议  55-58
  5.1 结论  55-57
  5.2 创新点  57
  5.3 建议与展望  57-58
参考文献  58-65
作者简历  65

土壤中无机纳米颗粒提取、表征及其重金属吸附研究

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